[发明专利]一种基于LPV技术的航天器姿态跟踪控制方法与装置

说明书

本发明提供一种基于LPV技术的航天器姿态跟踪控制方法与装置，所述方法包括：基于航天器的实际姿态信息与目标姿态信息间的姿态信息偏差，以及航天器的模型非线性项和变参数控制增益，生成对航天器中执行机构的力矩控制指令，以供执行机构根据力矩控制指令输出实际控制力矩；基于实际控制力矩，跟踪调节航天器的姿态；其中，模型非线性项为航天器的姿态系统的非线性分量，变参数控制增益为基于航天器姿态跟踪线性变参数LPV模型，通过进行基于LPV的鲁棒H_∞性能综合条件的推导，并进行变参数控制增益解算获取的。本发明能够对待控制航天器形成完整的姿态控制策略，使存在不确定项和外部干扰的系统能够完成高精度的快速姿态跟踪任务。

技术领域

本发明涉及武器装备体系建设技术领域，更具体地，涉及一种基于LPV技术的航天器姿态跟踪控制方法与装置。

背景技术

航天器姿态跟踪是一项重要的空间任务，其在交会对接，空间探测、碎片清除及编队飞行等环节中具有关键作用。目前，航天器姿态跟踪控制方法主要可以分为两种：一种是采用线性化模型描述原始系统，基于线性系统控制理论，设计控制器保证误差状态稳定在平衡点；另一种是基于非线性系统理论，通过设计控制器、构造适当的Lyapunov函数，满足Lyapunov稳定性定理，从而保证姿态误差稳定。

线性变参数系统可以用来描述系统随参数变化的模型，通过设计参数时变的控制器，实现对原始复杂系统的控制任务，兼具模型精度较高和设计方法简便的特点。对于航天器姿态跟踪控制问题，建立带有双框变速力矩陀螺(DGVSCMG)的航天器姿态动力学模型，通过平衡点Jacobian线性化得到以姿态角、框架角、飞轮转角为变参数的LPV模型，设计满足H₂性能约束的控制器。

同样，针对金字塔型单框力矩陀螺、变速控制力矩陀螺和平行构型单框力矩陀螺等，也可利用线性变参数系统理论分别进行研究，且均采用框架角的三角函数作为变参数，通过直接设计框架角速度以及飞轮转速变化率实现控制。

基于非线性系统理论的控制主要包括：滑模变结构控制、模糊控制、自适应控制及其衍生的控制方法等。在应用非线性控制方法实现姿态跟踪的方案中，通常对系统可以精确建模的非线性项直接作为控制量的一部分，从而抵消模型中的非线性部分。或者，利用将非线性项表示为不确定参数的线性表示，对非线性部分进行实时估计。

但是，线性化模型仅在平衡点附近成立，因此基于线性系统的控制方法并不适合误差状态偏离平衡点较大或者目标速度过快的情况。而基于非线性系统理论的控制方法，虽然具有较高的控制精度，但是这类控制方法在设计过程中，只能满足Lipschitz连续条件，保证状态收敛到平衡点，而无法保证收敛时间有限。此外，采用非线性系统理论的控制器结构较为复杂。

应用LPV理论实现姿态控制的方案中，虽然通过直接设计框架角速度以及飞轮转速变化率实现控制，避免了对执行机构奇异规避的讨论，但是没有考虑在特定框架角组合时，系统存在不可控情况。因此，现有的应用LPV理论的姿态控制方案具有很大保守性。同时，这类控制方法也没有考虑系统存在不确定项的情况，因此并不适用于真实复杂的航天器姿态跟踪控制任务。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种基于LPV技术的航天器姿态跟踪控制方法与装置，用以对待控制航天器形成完整的姿态控制策略，使存在不确定项和外部干扰的系统能够完成高精度的快速姿态跟踪任务。