[发明专利]一种基于模态结构分解的H∞范数指标的控制器参数优化方法、系统和介质

说明书

一种基于模态结构分解的H∞范数指标的控制器参数优化方法、系统和介质，本发明针对含挠性和液体晃动等谐振模态的航天器姿态动力学的PID+结构滤波器控制器，提出了一种基于模态结构分解的H∞范数优化指标。包括以下步骤：(1)根据系统状态方程提取出被控系统的传递函数；(2)将系统传递函数分解为刚体模态和谐振模态相加的形式；(3)设计常值形式的谐振模态加权函数；(4)设计与误差量和控制量相关联的权函数；(5)将闭环系统写成H∞控制器求解的标准形式；(6)调用基因遗传算法对标准形式的H∞范数进行最小化，并求出最小值对应的PID+结构滤波器参数，采用本发明可以大大降低含航天器的姿态控制参数设计对人工经验的依赖。

技术领域

一种基于模态结构分解的H∞范数指标的控制器参数优化方法、系统和介质，即H∞范数指标的控制器参数优化方法、系统和介质，属于控制工程领域。

背景技术

工程上，一般采用PID+结构滤波器形式的控制器对具有帆板挠性和液体晃动的航天器姿态进行控制。然而，对于谐振模态耦合严重的情形，很难通过人工调整设计出满意性能的控制器，并且往往依赖于个人经验。

为了减少控制器参数设计的难度，可以考虑采用控制参数的自动优化方法。然而，对于传统的控制参数优化方法，其优化指标的设计通常难以兼顾到对挠性和液体晃动的抑制，而对挠性和液晃的抑制通常是姿态控制最为重要和困难的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：对含有挠性和液体晃动的航天器姿态控制提出一种适用于工程应用的基于模态结构分解的H_∞范数指标的控制器参数优化方法，以减少控制参数设计过程中对人工经验的依赖，并提高所设计控制器对挠性和液晃的抑制效果。

本发明的技术解决方案是：一种基于模态结构分解的H∞范数指标的控制器参数优化方法，其实现步骤如下：

第一步，求解航天动力学方程的输入到输出的被控对象的传递函数；

第二步，根据步骤一的传递函数，将被控对象按照刚体与谐振模态相加的结构形式进行分解；

第三步，根据步骤二的分解结果，设置与谐振模态关联的常值输出权函数；

第四步，设置与姿态控制误差和控制量相关的权函数；

第五步，将被控对象、控制器和步骤三和步骤四的权函数组成的闭环系统写成H∞标准形式；

第六步，对步骤五得到的闭环系统进行控制参数优化求解。

步骤六对步骤五得到的闭环系统进行控制参数优化求解，步骤如下

调用基因遗传算法对标准形式的闭环系统的H∞范数进行最小化，并求得对应的控制器参数。

根据控制器参数，求出闭环系统的H∞范数，若H∞范数小于1，则判定控制器参数满足要求，否则调整对应的权函数，以迭代求解出满足要求性能的控制器参数。

所述第二步中将被控对象按照刚体与谐振模态相加的结构形式进行分解的方法如下：

对于含有挠性振动和液体晃动的单轴姿态系统，将其分解为刚体和谐振模态相加，然后与单积分环节相乘的形式：

其中G(s)为被控对象的传递函数，s为拉普拉斯算子，1/s为积分环节，n为对应的模态数，a_k和b_k为分解后的系数，ξ_k,ω_k为各个模态对应的阻尼和频率。

所述第三步将输出权函数选择为常数，并将该权函数直接关联到第二步分解所得的谐振模态部分。

一种基于模态结构分解的H∞范数指标的控制器参数优化系统，包括：求解模块、分解模块、设置模块、函数形式改写模块、优化求解模块