[发明专利]一种带有执行器饱和的空间机器人自抗扰控制方法

说明书

本发明公开了一种带有执行器饱和的空间机器人自抗扰控制方法，首先通过设计跟踪微分器为系统的期望轨迹及姿态安排合适的过渡过程，同时获取期望值得微分信号为后续控制器设计做准备；利用离散输出信号设计采样扩张状态观测器，对空间机器人系统中的状态以及耦合、外部干扰等形成的总的非线性不确定项进行实时估计，并将非线性不确定项的估计值补偿到误差反馈控制率中；本发明不仅能避免内外干扰等非线性因素对系统造成不利影响，又能够确保执行机构在饱和范围内对空间机器人实施精准地位置与姿态控制。本发明提出的控制策略对考虑采样输出及带有执行器饱和的空间机器人系统有良好的控制效果，并且可以广泛应用于其他非线性系统中。

技术领域

本发明属于空间机器人系统伺服控制领域，涉及一种带有执行器饱和的空间机器人自抗扰控制方法。

背景技术

对于处于深空中进行交会对接、轨道与姿态重置、碎片的抓取、空间站的搭建等各种复杂操作任务的空间机器人而言，自身状态间的耦合、行星大气阻力、光压力、太阳电磁辐射、引力场和磁场等对空间机器人轨道和姿态运动产生一定的干扰力矩，进而会对长时间的空间操作任务造成相当大的影响。目前针对空间机器人的控制，研究人员提出PID控制、最优控制、自适应控制、滑模控制等控制策略。其中，PID控制方法虽然简单有效，随着对控制精度要求的不断提高和系统特性的复杂多变，PID控制显示了其不足之处；最优控制能使某一控制指标达到极值，具有较强的鲁棒性，但是算法还有待继续优化；无源自适应控制律，实现了转动惯量未知情况下的空间机器人系统的姿态控制；滑模控制鲁棒性强，干扰抑制效果较好，但是会出现系统输出抖振等现象。随着航天器的日益复杂，系统时变性、非线性、不确定性的不断增强，上述几种控制方法难以发挥有效作用，控制效果并不理想。同时，随着计算机技术的推进，空间机器人系统的控制也不例外的属于计算机控制系统，即，其通过计算机离散时间采样获取传感器测量的系统状态信息，进而实现对系统的控制；除此之外，由于空间机器人执行机构自身或者工作环境的限制，必须对空间机器人的执行机构进行一定的幅值限制。因此，寻求一种基于采样输出的抗干扰主动控制方法，确保空间机器人系统在安全范围内完成各种复杂操作任务显得尤为重要。

自抗扰控制技术是一种不基于模型且可以解决复杂非线性不确定系统控制问题的先进控制策略。其主要核心思想为：将系统中的未建模动态以及未知内外干扰当作系统的总和扰动，被扩张状态观测器实时估计并补偿到误差反馈控制器中，从而实现了动态系统的动态反馈线性化。随着理论研究的不断成熟，自抗扰控制技术已被广泛应用于电机控制、飞行器控制、轧钢、发电厂、坦克炮控系统等工业领域。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种带有执行器饱和的空间机器人自抗扰控制方法，该方法针对带有执行器饱和的采样输出空间机器人位置与姿态控制问题，在考虑执行机构饱和问题的同时，利用离散时间采样输出信号设计采样扩张状态观测器，对空间机器人系统中的耦合、外部干扰等时变非线性不确定项进行实时估计，并补偿到误差反馈控制率中形成饱和控制器，最终确保空间机器人系统在安全范围内实现位置和姿态的精准控制，提高了系统的鲁棒稳定性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种带有执行器饱和的空间机器人自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建微重力环境下带有执行器饱和的空间机器人系统动力学模型；

步骤2：设计跟踪微分器；

步骤3：设计采样扩张状态观测器，估计系统中的状态和非线性不确定项；

步骤4：设计饱和控制器；

步骤5：采样扩张状态观测器和控制器参数调节。

本发明进一步的改进在于：

步骤1的具体方法如下：