一种欧拉旋转卫星姿态机动递阶饱和PID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CN109507875A(43)申请公布日2019.03.22(21)申请号201910016560.9(22)申请日2019.01.08(71)申请人哈尔滨工业大学地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号(72)发明人郭延宁祝贺吕跃勇李传江(74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事务所23109代理人刘冰(51)Int.Cl.G05B11/42(2006.01)权利要求书3页说明书7页附图4页(54)发明名称一种欧拉旋转卫星姿态机动递阶饱和PID控制方法(57)摘要一种欧拉旋转卫星姿态机动递阶饱和PID控制方法，属于卫星姿态机动控制领域。本发明为了解决目前的卫星姿态机动递阶饱和PID控制方法无法实现三轴欧拉旋转的问题。本发明首先建立飞轮为执行机构的卫星姿态运动学和姿态动力学方程，然后分析飞轮系力矩包络特性，判断期望力矩穿过的菱形面，计算沿期望力矩方向上的飞轮最大输出力矩，确定最大飞轮力矩矢量。进而根据最大飞轮力矩矢量和机动角速度限制设计误差限制向量，设计递阶饱和PID控制器控制卫星三轴姿态。本发明可使飞轮在卫星大姿态偏差时发挥期望力矩方向的最大能力，从而逼近近时间最优欧拉旋转姿态机动性能。本发明适用于卫星姿态机动控制。CN109507875ACN109507875A权利要求书1/3页1.一种欧拉旋转卫星姿态机动递阶饱和PID控制方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一、建立飞轮为执行机构的卫星姿态运动学和姿态动力学方程；步骤二、分析飞轮系力矩包络特性，判断期望力矩穿过的菱形面；步骤三、计算沿期望力矩方向上的飞轮最大输出力矩，确定最大飞轮力矩矢量；步骤四、根据最大飞轮力矩矢量和机动角速度限制设计误差限制向量L；步骤五、设计递阶饱和PID控制器控制卫星三轴姿态。2.根据权利要求1所述的一种欧拉旋转卫星姿态机动递阶饱和PID控制方法，其特征在于，步骤一所述建立飞轮为执行机构的卫星姿态运动学和姿态动力学方程如下：建立卫星姿态运动学方程，即卫星误差四元数运动学方程：T其中，是姿态误差四元数；ω＝[ω1ω2ω3]是卫星本体系相对于惯性基准坐标系的旋转角速度，ω×是ω的反对称矩阵：由刚体动量矩定理选择飞轮作为卫星的执行机构，有卫星姿态动力学方程为3×3其中J∈R是卫星的转动惯量，ud是卫星受到的干扰力矩，uw是飞轮产生的控制力矩。3.根据权利要求2所述的一种欧拉旋转卫星姿态机动递阶饱和PID控制方法，其特征在于，所述其中，qc1,qc2,qc3,qc4分别是期望姿态的分量，q1,q2,q3,q4是当前姿态的分量。4.根据权利要求2所述的一种欧拉旋转卫星姿态机动递阶饱和PID控制方法，其特征在于，所述hw是飞轮的角动量。5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种欧拉旋转卫星姿态机动递阶饱和PID控制方法，其特征在于，步骤二所述分析飞轮系力矩包络特性，判断期望力矩穿过的菱形面的过程如下：分析飞轮系力矩包络特性，定义飞轮i和j对应包络体菱形wij的法向量为其中，hi和hj分别表示飞轮i和j的方向向量；将n维空间的角动量映射成三维空间的多面体，在多面体的菱形面wij上，除飞轮i和j外2CN109507875A权利要求书2/3页其他飞轮均达到正向饱和或负向饱和，其合力矩为其中，τwk表示第k个飞轮产生的力矩，uwm是单个飞轮的最大力矩幅值，sgn(·)表示符号函数；引入参数其中，表示期望力矩方向au在wij的法向量nij上的投影；表示wij对角线交点方向，即在法向量nij的投影；通过比较所有菱形面的μij判断au位于的某个菱形面内。6.根据权利要求5所述的一种欧拉旋转卫星姿态机动递阶饱和PID控制方法，其特征在于，步骤三所述计算沿期望力矩方向上的飞轮最大输出力矩的过程如下：飞轮系在期望力矩au上能输出的最大力矩表示为所有饱和和未饱和飞轮输出力矩的矢量和，即其中，umax表示飞轮系能输出的最大力矩幅值，uwi和uwj分别表示飞轮i和j的力矩幅值；求解上式得到将umax根据飞轮饱和情况分配到各飞轮，得到最大飞轮力矩矢量若umax大于力矩期望幅值uc，则需要进行线性变化，得到飞轮指令力矩7.根据权利要求6所述的一种欧拉旋转卫星姿态机动递阶饱和PID控制方法，其特征在于，步骤四所述的根据最大飞轮力矩矢量和欧拉旋转角速度限制设计误差限制向量L的过程如下：设计误差限制向量其中，La中的是由二阶系统的时间最优控制计算出的指令力矩方向的最大角速度，Lb项中的是飞轮所能提供的最大欧拉角速度，Lc项中的是欧拉旋转角速度限制；p,d为下述递阶饱和PID控制器的可调参数；||ae||∞表示ae的无穷范数；ae表示姿态机动3CN109507875A权利要求书3/3页欧拉轴的方向矢量，θ表示欧