一种卫星姿态模糊控制器参数优化方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103019099A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN103019099A(43)申请公布日2013.04.03(21)申请号201210545164.3(22)申请日2012.12.14(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人房建成彭聪崔培玲(74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251代理人成金玉(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)G05D1/08(2006.01)权利要求书权利要求书4页4页说明书说明书1212页页附图附图33页(54)发明名称一种卫星姿态模糊控制器参数优化方法(57)摘要本发明涉及一种卫星姿态模糊控制器参数优化方法，属于航天控制技术领域，在卫星姿态参考坐标系下建立含有磁悬浮飞轮群的卫星动力学和运动学模型，基于磁悬浮飞轮群的航天器动力学模型设计姿态模糊控制器，引入改进的粒子群优化算法对所设计的姿态模糊控制器进行控制参数优化设计。本发明可以适用于卫星姿态模糊控制系统中，不仅提高模糊控制器设计效率，而且提高卫星姿态控制精度和稳定度。CN1039ACN103019099A权利要求书1/4页1.一种卫星姿态模糊控制器参数优化方法，其特征在于：在卫星姿态参考坐标系下建立基于磁悬浮飞轮群的卫星姿态动力学和运动学模型，基于此模型设计卫星姿态模糊控制器，采用改进的粒子群优化算法对姿态模糊控制器进行优化设计；具体包括以下步骤：①建立卫星载体固连坐标系和单个磁悬浮飞轮固连坐标系；建立卫星载体固连坐标系(xb,yb,zb)，坐标系原点位于载体质量中心，卫星固定有三个磁悬浮飞轮，以正交形式安装；建立第j(j＝1,2,3)个磁悬浮飞轮固连坐标系(xwαj,ywβj,zwsj)，其中zwsj表示第j个磁悬浮飞轮自转轴方向单位向量，xwαj和ywβj表示第j个磁悬浮飞轮径向轴方向单位向量；②基于步骤①建立磁悬浮飞轮群角动量模型；其中，hw1为自转轴平行于zb轴的磁悬浮飞轮w1的角动量，hw2为自转轴平行于xb轴的磁悬浮飞轮w2的角动量，hw3为自转轴平行于yb轴的磁悬浮飞轮w3的角动量；Iws1为磁悬浮飞轮w1自转轴方向转动惯量，Iws2为磁悬浮飞轮w2自转轴方向转动惯量，Iws3为磁悬浮飞轮w3自转轴方向转动惯量；Ω1为磁悬浮飞轮w1自转角速度，Ω2为磁悬浮飞轮w2自转角速度，Ω3为磁悬浮飞轮w3自转角速度；α1和β1为磁悬浮飞轮w1转子径向偏移量，α2和β2为磁悬浮飞轮w2转子径向偏移量，α3和β3为磁悬浮飞轮w3转子径向偏移量；采用相同的磁悬浮飞轮，有Iws1=Iws2=Iws3=Iws；③基于步骤①和步骤②建立卫星总的角动量模型；其中，J1，J2和J3为卫星三轴转动惯量；ω1，ω2和ω3为卫星三轴姿态角速度；④基于步骤①-步骤③建立基于磁悬浮飞轮群的卫星动力学模型；T×其中，τe为外部干扰力矩，ω＝(ω1,ω2,ω3)为卫星姿态角速度向量，[ω]为：为卫星总的角动量的微分，2CN103019099A权利要求书2/4页其中，和为卫星三轴姿态角速度的微分；和分别为磁悬浮飞轮w1，w2和w3自转角速度的微分；和为磁悬浮飞轮w1转子径向偏移量的微分；和为磁悬浮飞轮w2转子径向偏移量的微分；和为磁悬浮飞轮w3转子径向偏移量的微分；⑤基于步骤①建立卫星姿态运动学模型；T其中，θ＝(θ1,θ2,θ3)为卫星三轴欧拉姿态角向量，为欧拉姿态角的微分，R(θ)和ωc(θ)分别表示为：其中，ωo为轨道角速度；⑥基于步骤④和步骤⑤所建立的基于三轴正交安装磁悬浮飞轮群的卫星动力学和运动学模型，设计姿态模糊控制器；模糊规则为：如果x是Am，并且y是Bp，那么z是Cq；其中，x和y是模糊控制器输入变量，x为卫星姿态误差eθ通过比例因子ke转换限制在[-1,1]范围内，y为姿态误差的微分通过比例因子转换限制在[-1,1]范围内；z是模糊控制器输出变量，通过比例因子ku转换为真实输出值；Am是输入变量x的模糊集语言变量，采用七种语言变量组成，包括NL（负大），NM（负中），NS（负小），O（零），PS（正小），PM（正中），PL（正大）；Bp是输入变量y的模糊集语言变量，采用五种语言变量组成，包括NL（负大），NS（负小），O（零），PS（正小），PL（正大）；Cq为输出变量z的模糊集语言变量，采用七种语言变量组成，包括NL（负大），NM（负中），NS（负小），O（零），PS（正小），PM（正中），PL（正大）；模糊连接词“并且”根据模糊理论中代数积定义；设计控制系统性能目标函数为：其中，eω为卫星姿态角速度的误差，tfinal为总时间；⑦基于步骤⑥所设计的姿态模糊控制器采用改进的粒子群优化算法进行控制器参数优化设计，最终得到所有