一种失效翻滚卫星非接触消旋的安全鲁棒预测控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113900374A(43)申请公布日2022.01.07(21)申请号202111084058.5(22)申请日2021.09.14(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人黄攀峰刘习尧董刚奇常海涛翟晨萌(74)专利代理机构西北工业大学专利中心61204代理人华金(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)权利要求书3页说明书8页附图2页(54)发明名称一种失效翻滚卫星非接触消旋的安全鲁棒预测控制方法(57)摘要本发明涉及一种失效翻滚卫星非接触消旋的安全鲁棒预测控制方法，采用了反馈线性化方法获得了系统的线性化模型，相比直接对非线性系统方程设计模型预测控制器，该方法可以大大降低计算量。使用了鲁棒模型预测控制算法设计控制输入，可以保证非接触消旋过程中，服务航天器一直处于安全约束内，且设计了二次型目标代价函数，保证了燃料消耗的最优性。CN113900374ACN113900374A权利要求书1/3页1.一种失效翻滚卫星非接触消旋的安全鲁棒预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立失效翻滚卫星非接触消旋的动力学模型；步骤2：进行反馈线性化，获得线性化后的动力学方程；步骤3：计算鲁棒安全约束集以及输入饱和限制，保证消旋过程的安全性；步骤4：建立并求解标称模型预测控制问题，计算最终控制量，保证可以在存在不确定性和燃料最优的情况下实现失效翻滚卫星的安全鲁棒控制。2.如权利要求1所述的一种失效翻滚卫星非接触消旋的安全鲁棒预测控制方法，其特征在于，所述步骤1中，其中14其中GM＝3.9860044×10表示地心引力常数，Rs表示服务航天器与失效翻滚卫星构成的编队系统的质心位置向量，uR＝Rs/||Rs||表示Rs的方向矢量。FBt为消旋电磁作用力，mred＝mtmc/(mt+mc)是服务航天器与失效翻滚卫星的平均质量，mt表示失效翻滚卫星的质量，mc表示服务航天器质量；其中βe1表示姿态误差四元数的标量部分，ωe表示误差角速度，Jc表示服务航天器的转动惯量矩阵，CBD表示从期望坐标系到本体坐标系的方向余弦矩阵，ωd为期望角速度，TBc表示非接触消旋过程的电磁作用力矩。ΔFBt表示电磁作用力的模型不确定，ΔTBc表示电磁作用力矩的模型不确定。y为测量输出，h(x)＝x表示测量方程。3.如权利要求1所述的一种失效翻滚卫星非接触消旋的安全鲁棒预测控制方法，其特征在于，所述步骤2中，失效翻滚卫星非接触消旋的反馈线性化模型为：其中，失效翻滚卫星反馈线性化模型的状态向量为2CN113900374A权利要求书2/3页上式中其中表示梯度算子，且从而可知，其中n为状态向量x的维度。失效翻滚卫星反馈线性化模型的控制输入为其中，且有反馈线性化后的状态变量和控制输入需满足如下条件：其中Zl表示反馈线性化后状态变量的安全约束集，zl表示反馈线性化模型状态变量的安全下界，zu表示反馈线性化模型状态变量的安全上界；Vl表示反馈线性化模型控制输入的饱和限制，ul表示反馈线性化模型控制输入的饱和下界，uu表示反馈线性化模型控制输入的饱和上界。4.如权利要求1所述的一种失效翻滚卫星非接触消旋的安全鲁棒预测控制方法，其特征在于，所述步骤3中，计算k时刻的鲁棒安全约束集和输入饱和限制为：其中表示闵科夫斯基减法，K为系统增益矩阵，其求解过程为：首先求解离散黎卡提方程：获得对称正定矩阵P。之后可通过下式计算出矩阵K：式(8)(9)中Q为参数可调的正定矩阵，R是参数可调的半正定矩阵，Ad＝In+TsAc，Bd＝TsBc，Cd＝Cc，In表示n阶单位矩阵，Ts是采样间隔时间。Ek表示k时刻失效翻滚目标非接触消旋过程中的安全鲁棒收紧集，其计算公式为：3CN113900374A权利要求书3/3页其中zk为k时刻失效翻滚目标非接触消旋过程的状态变量，表示标称模型在k时刻的状态向量，且α为满足0≤α＜1的实数，λk表示矩阵AK＝Ad+BdK的特征值，(γ,η,ε)是一组满足的参数，其中δk表示离散后k时刻模型不确定δ的值。5.如权利要求1所述的一种失效翻滚卫星非接触消旋的安全鲁棒预测控制方法，其特征在于，所述步骤4中，定义最优化问题中的目标函数取为：其中XT表示X的转置，N是优化问题的步长，是优化问题(11)的决策变量，且满足如下约束条件：在每个时刻k求解由式(11)(12)定义的优化问题，获得k时刻的标称控制量及标称状态量从而可得，在任意时间k的非接触消旋控制过程的控制量为其中4CN113900374A说明书1/8页一种失效翻滚卫星非接触消旋的安全鲁棒预测控制方法技术领域[0001]本发明属于空间垃圾清除及人造卫星操控技术领域，特别涉及一种失效翻滚卫星非