[发明专利]基于非线性模型预测控制的空间系绳系统展开控制方法

摘要

本发明提供一种在近地椭圆轨道运行的三维空间系绳系统在初始阶段展开的稳定控制方法，仅通过调节有限的系绳张力，不依赖其它推进器，将系绳释放至期望长度并抑制系绳的摆动。该方法包含以下步骤：S1、建立考虑系绳质量的二体空间系绳系统动力学模型；S2、在考虑干扰等不确定性、欠驱动、系绳摆动角与系绳张力存在约束的条件下，基于非线性模型预测控制(NMPC)算法，利用伪光谱算法将原非线性模型离散化，将预测控制中的开环最优问题转化为非线性规划问题进行求解。S3、根据非线性规划问题的求解确定下一控制周期的控制量以构成闭环控制。最终实现在近地椭圆轨道运行的三维空间系绳系统在初始阶段稳定释放展开。

主权项

1.一种基于非线性模型预测控制的空间系绳系统展开控制方法，其特征在于，包含如下的步骤：(1)确定近地椭圆轨道运行的三维空间系绳系统的轨道参数、系绳总长度L_dt、系绳总质量m_T、主星质量m₁、子星质量m₂，所述的轨道参数为平均角速度为Ω，近地点幅角ω，真近点角v，为轨道倾角i，升交点赤经系统的运动在轨道坐标系O‑xyz下描述，Ox轴指向地球与系统连线方向，Oy轴沿着系统轨道运行方向，Oz轴垂直于轨道平面，与Ox、Oz组成右手坐标系；(2)确定近地椭圆轨道运行的三维空间系绳系统模型，并为了方便计算，进行时间和绳长的无量纲化处理，确定无量纲的系绳摆动角与绳长变化动力学方程；(3)确定释放过程中非线性预测控制优化函数，根据系绳能够提供的拉力上限、敏感器的测量范围和任务要求，确定系绳张力约束和系绳摆动角的约束；(4)系绳被释放后，利用敏感器测得系绳状态变量，包括系绳面内角及角速度α(t),系绳面外角及角速度β(t),系绳长度及速度L_d(t),根据步骤(2)中确定的动力学模型及步骤(3)中确定的释放过程中非线性预测控制优化函数，无量纲的系绳等效张力约束和系绳摆动角的约束，采用基于优化算法的非线性预测控制方法，在每个采样时刻n，根据系统当前的状态对系统将来的有限时间域的采样时刻k＝0,...,N‑1(N≥2)的状态进行优化，并将得到的最优控制序列的第一个控制量作为下一次采样周期的反馈控制量；在下一次采样时刻，时间序列向前推进一个采样周期，应用新的系统状态测量值进行新的最优问题的求解，直至系绳释放至全长为止，最终得到三维空间系绳系统在初始阶段展开的稳定控制律。