[发明专利]基于平均驻留时间切换的状态反馈切换控制器设计方法

说明书

本发明涉及一种基于平均驻留时间切换的状态反馈切换控制器设计方法，针对被控对象的每种故障进行建模，得到对应的子系统模型；设定H_∞参数指标的初始值作为存储值；设定待求解矩阵和Lyapunov函数矩阵，并构建线性矩阵不等式；按照步长值增加衰减指数和平均留驻时间参数的值，得到待求解矩阵和H_∞参数指标；求解平均留驻时间和控制器矩阵。本发明应用模式依赖的平均驻留时间策略的控制器和切换律设计方法，应用冗余备份惯性轮特点设计故障发生状态下的控制器设计，使卫星控制器在惯性轮发生故障时可以平稳切换至备份惯性轮的控制律，同时具有较高的干扰抑制水平，提高卫星运行的安全性和可靠性。

技术领域

本发明涉及卫星容错控制领域，具体地说是一种基于平均驻留时间切换的状态反馈切换控制器设计方法。

背景技术

惯性轮是卫星控制系统的执行机构，是卫星姿态控制不可缺少的基础设备，也是卫星能够在轨运行的根本保证，惯性轮的可靠性和安全性是卫星稳定运行的必要前提。在卫星的姿态控制中，需要通过欧拉法或者四元素法对姿态进行建模和控制。在卫星运行中，对可靠性和安全性的要求极高，惯性轮的设计中包含了备份惯性轮使某一工作惯性轮出现故障姿态系统仍然可以正常工作。这样，通过切换控制器的设计容错控制器可以使系统在惯性轮故障时切换至备份惯性轮继续稳定运行。

切换策略已经在线性变参数领域得到了广泛的研究。切换控制使变参数控制器设计更加灵活和实用。目前的研究已经将该切换变参数控制策略应用至导弹系统、飞行器系统、发电系统和倒立摆等系统中。

模式依赖的平均驻留时间方法是切换策略中的常用方法。其原理是设计不同子系统的激活时间条件，保证不同子系统激活时间必须满足的条件的，保证系统总体的Lyapunov函数的下降性质。令切换信号在不同子系统的驻留时间满足平均驻留时间条件，即T_i＞τ_a,i，切换系统的稳定性即得到保证。避免了切换过于频繁导致的切换系统发散。

H_∞方法是鲁棒控制中的常用方法，该方法在保证系统稳定的同时，对系统对扰动输入的抑制参数进行优化，求解得到的控制器使系统稳定，并且使闭环系统具备抗扰动能力。通常通过使用线性矩阵不等式约束方法，求解未知矩阵，最终得到控制器的具体形式。

在现有的容错控制方法中，通常故障切入和切出采用同样的切换条件。这种切换策略可能导致切换面附近频繁切换，基于模式依赖的平均驻留时间切换策略的容错控制器设计通过保证不同子系统的平均驻留时间来保证切换系统的性能，使切入时刻和切出时刻满足平均驻留时间条件，该设计可以有效地避免不同子系统间切换导致的性能下降。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于平均驻留时间切换的状态反馈切换控制器设计方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于平均驻留时间切换的状态反馈切换控制器设计方法，包括以下步骤：

步骤1：针对被控对象的每种故障进行建模，得到对应的子系统模型；

步骤2：根据故障因子设定容错控制器切换面的位置，衰减指数的上限值、下限值和步长值，平均留驻时间参数的上限值、下限值和步长值，并设定H_∞参数指标的初始值作为存储值；

步骤3：根据待求解控制器形式，设定待求解矩阵和Lyapunov函数矩阵，并根据有界实引理构建线性矩阵不等式；

步骤4：在衰减指数和平均留驻时间参数的上下限范围内，按照步长值增加衰减指数和平均留驻时间参数的值，得到待求解矩阵和H_∞参数指标；如果得到的H_∞参数指标小于存储值，则更新H_∞参数指标，并存储求解矩阵、衰减指数和平均留驻时间参数；否则舍弃该H_∞参数指标；