[发明专利]基于自适应PI控制的刚体卫星姿态系统被动容错控制方法

说明书

本发明公开了一种基于自适应PI控制的刚体卫星姿态系统被动容错控制方法。首先建立刚性卫星的姿态动力学模型和运动模型,然后在刚性卫星执行器发生故障的情况下建立其数学模型，最后在反演控制的框架下，设计了一种具有自适应增益的PI控制器。该PI增益由两部分组成，一部分是恒定的，另一部分是时变的。恒定部分由设计者灵活确定，时变部分由自适应算法自动调整。此外，P‑增益与I‑增益成比例，而不是独立的传统PI控制，其性能优于传统的常值增益PI控制。采用本发明中设计的容错控制器可以使系统对故障具有容忍能力，保证了系统的稳定性，使卫星可以快速准确地跟踪上期望的姿态指令。

技术领域

本发明属于卫星姿态控制领域，具体涉及一种刚性卫星基于自适应PI的被动容错姿态控制器设计的方法。

背景技术

卫星通常用来完成各种先进的空间任务，因此对卫星的安全性、可靠性和稳定性的要求尤为重要。由于任务复杂，卫星姿态控制系统存在诸多挑战：由于制造水平、成本及运行环境的影响，卫星更容易发生不可预测的故障，一旦故障发生，卫星将降低甚至完全丧失预定的功能，对于空间计划、经济、军事乃至政治都会带来严重的影响。面对这些挑战，为了保证卫星的正常运行，应使姿态控制系统对于扰动以及故障时具有容忍能力。因此，以刚性卫星姿态控制系统为背景进行容错控制研究，具有重要的理论意义和广泛的应用价值。

为了保证卫星能够快速、准确地跟踪各种姿态指令，需要采取有效的姿态控制方法。虽然各种先进的控制方法已经过去几十年的发展，但在工程实践中的首选之一仍然是PID或PI控制，由于其结构简单和概念直观，从而得到实际的工程系统广泛的应用。

然而，众所周知，PI控制存在三个主要缺点，限制了它在卫星姿态系统中的应用。

第一、到目前为止，对于PI卫星姿态控制器的增益，大多需要通过工程实验进行试凑来确定，还没有完善的理论依据来确定增益的大小。

第二、虽然PI控制在处理某些线性时不变系统时表现出了不错的效果，但它对卫星姿控系统的适用性仍不清楚，缺乏对闭环系统的稳定性以及各种性能的理论保证。

第三、传统的常值增益PI卫星姿态控制一般不考虑故障，对卫星姿态系统的研究不深入。

发明内容

针对以上问题本发明提供了一种基于自适应PI控制的刚体卫星姿态系统被动容错控制方法。本发明中的重点是设计的PI增益，它由两部分组成，一部分是恒定的，另一部分是时变的。PI增益使系统具有强鲁棒性，使整个闭环系统对于某些故障具有不敏感性。采用这种有效的姿态控制方法，卫星能快速、准确地跟踪参考指令。

为了解决上述问题，本发明提出了基于自适应PI控制的刚体卫星姿态系统被动容错控制方法，包含以下步骤：

步骤一、建立刚性卫星的姿态运动学模型，具体如下：

其中，为偏航角、θ为俯仰角、ψ为滚转角；ω₁为偏航角速度、ω₂为俯仰角速度、ω₃为滚转角速度；ω₀是恒定的轨道速率。

在本发明中，假定欧拉角的变化范围很小，上式运动学方程可以简化为如下形式：

其中，σ∈R^3×1为姿态角向量，ω∈R^3×1为姿态角速度向量，

受到外部扰动和参数不确定性的刚性卫星的姿态动力学方程描述为：

其中，J∈R^3×3是刚体卫星的对称惯性矩阵，△J是惯性矩阵的不确定部分；为反作用飞轮产生的控制力矩；表示外部扰动力矩。

上式可以转换成以下形式：