[发明专利]一种欺骗攻击下航天器姿态控制系统的高效模糊预测控制器的设计方法

说明书

本发明公开了一种欺骗攻击下航天器姿态控制系统的高效模糊预测控制器的设计方法，采用区间二型T‑S模糊模型来建立系统模型很好地刻画航天器姿态控制系统的非线性和参数不确定性；充分考虑区间二型T‑S模糊系统的非线性和不确定性以及由于欺骗攻击而导致的传感器状态不可测，结合在高效模型预测控制框架，设计基于状态观测器的输出反馈控制器，构建一个无穷时域“极小‑极大”优化问题，得到终端约束集内的固定反馈控制律，利用摄动量扩大初始可行域。在终端约束集外采用固定反馈控制律附加在线优化问题求解摄动量的方法实施控制。借助于类李雅普诺夫函数方法，推导出能保证系统渐近稳定的充分条件并且提出完整的带有欺骗攻击的高效模糊预测控制算法。

技术领域

本发明涉及智能控制领域，尤其涉及一种欺骗攻击下航天器姿态控制系统的高效模糊预测控制器的设计方法。

背景技术

随着人类航天活动的增多，航天器姿态控制在很长时间内一直是一个活跃的研究课题，而航天器模型本身的非线性性质，加上不确定性参数、网络化现象等，使姿态控制问题很具吸引力和挑战性。再者，航天器姿态控制系统是实现航天器平台标准化的关键技术之一，同时也是航天器分系统中一个不可或缺的组成部分。成功地设计一套能够满足航天器姿态控制精度的控制体系，解决目前因姿态控制中存在的安全飞行问题，为发展航天器的稳定且安全在轨运行及其正常太空载荷工作等提供必要理论和技术基础具有重要理论意义和实际应用价值。

众所周知，区间二型T-S模糊系统具有较强的实际建模能力，它能准确地描述航天器姿态控制系统的非线性和参数不确定性。与此同时，自上世纪50年代以来，模型预测控制因其在求解带约束多变量的优化控制问题中具有明显的优势而受到工业界广泛重视，迄今为止在化工、生物、炼油等领域的过程控制中得到成功应用并取得显著的经济效益。经调研发现，目前基于模型预测控制(简称预测控制)的区间二型T-S模糊系统的航天器姿态控制分析与综合文献较少，究其原因主要是系统的非线性和参数不确定性极有可能导致控制算法递归可行性失效，进而导致被控系统失稳。另外，随着科学技术的快速发展，无线网络传输应运而生。针对在无线网络传输下区间二型T-S模糊控制系统的模型预测控制问题的研究，欺骗攻击带来的状态不可测和安全问题、在线计算量大以及控制性能等问题显著。因此，对于在带有欺骗攻击的区间二型T-S模糊系统的预测控制研究具有重大的理论价值和现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可以更好地处理系统存在的非线性和参数不确定性，从而有效地提高系统性能的欺骗攻击下航天器姿态控制系统的高效模糊预测控制器的设计方法。

为达到上述目的，本发明提出一种欺骗攻击下航天器姿态控制系统的高效模糊预测控制器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、确定基于区间二型T-S模糊模型的航天器姿态系统参数和硬约束，初始化系统状态；

步骤2、将基于状态观测器的输出反馈控制与高效模糊预测控制相结合，设计出“离线-在线”结合的双模控制方案；

步骤3、基于模糊模型预测控制设计目标函数并优化，离线求解终端约束集内系统在H2意义安全的固定反馈控制增益和观测器增益；

步骤4、利用高效模型预测控制算法中的摄动量扩大初始可行域并计算；

步骤5、通过设计目标函数并优化在线求解摄动量向量；将第一个摄动量作用于系统。

进一步的，所述的初始化系统参数，包含以下步骤：

建立航天器系统的带有硬约束的区间二型T-S模糊模型，包括模糊规则、系统矩阵、上下隶属函数；

给出系统的初始状态以及硬约束的已知参数。

进一步的，将状态观测器与高效模型预测控制结合。由于系统组件的网络化连接经常受到欺骗攻击的影响，传感器信号经常遭到破坏而不可测，为了重构系统状态，本文引入状态观测器的输出反馈控制，并将其与高效模型预测控制相结合，设计出基于状态观测器的高效模型预测控制算法。