[发明专利]一种航天器舱内温度控制系统的周期扰动补偿设计方法

摘要

本发明一种航天器舱内温度控制系统的周期扰动补偿设计方法，该方法有四大步骤：步骤一：设计闭环控制系统的结构；步骤二：设计前馈信号自适应学习控制器参数；步骤三：设计决策器；步骤四：进入设计结束阶段。本发明在原有控制方案的基础上，自适应学习出更为准确的前馈信号用于干扰动补偿，以提高温度控制精度，并且保证温度控制系统的稳定性。这种方法实施方便，所设计的前馈信号自适应学习控制器结构简单，在航天器温度控制技术领域内具有广泛的实用价值和应用前景。

主权项

1、一种航天器舱内温度控制系统的周期扰动补偿设计方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：设计闭环控制系统的结构闭环控制系统采用单位负反馈的控制结构，输出量是温度信号，所设计的闭环控制系统包括：原有反馈控制器、前馈信号自适应学习控制器、决策器和航天器舱内温度系统简化模型四个部分；温度传感器测出舱内温度，然后与温度参考信号作差形成误差信号；误差信号同时提供给决策器和原有反馈控制器；随后原有反馈控制器的输出作为前馈信号自适应学习控制器的输入，同时前馈信号自适应学习控制器的输出被决策器所控制；最终前馈信号自适应学习控制器的输出与原有反馈控制器的输出之和作为航天器舱内温度系统简化模型的输入；航天器舱内温度系统简化模型、原有反馈控制器、前馈信号自适应学习控制器和决策器的设计都采用高级语言编程实现；该航天器舱内温度系统简化模型用带有周期扰动的一阶惯性环节描述τx·(t)=-x(t)+u(t)+d(t)]]>(1)y(t)＝x(t)其中：x(t)表示系统状态；u(t)表示控制输入；y(t)表示系统输出；τ表示系统参数；d(t)表示外界扰动；该原有反馈控制器描述为u_b(t，e)，其中的输入信号是误差信号，误差信号由参考信号减去输出信号求得，它的作用是镇定闭环系统以及抑制外界的随机扰动即非周期扰动；原有反馈控制器在不确定因素存在下，仍然能保证闭环系统的稳定性；该前馈信号自适应学习控制器描述为：ϵu·f(t)=-uf(t)+uf(t-T)+k·ub(t,e)]]>(2)uf(θ)=uf0(θ),θ∈[-T,0]]]>其中：θ∈[-T，0]表示前馈信号的初始值；T 表示扰动周期；ε表示折中因子；k  表示学习速率因子；u_b(t，e)表示原有反馈控制器信号；u_f(t)表示输出前馈信号；解(2)式可以采用四阶龙格库塔方法，解的结果即为输出前馈信号u_f(t)；该决策器有两个功能，一是通过温度控制的结果，不断保存控制结果最佳的前馈信号；二是系统如果出现不稳定的迹象，立刻将前馈信号切换为最佳的前馈信号，以保障系统的稳定性；步骤二：设计前馈信号自适应学习控制器三个参数ε，kθ∈[-T，0]设置为原有的前馈信号，因为原有前馈信号是在线调试得到，并已经通过实际系统的验证，因此让其作为学习前馈控制器的初始值更加可靠而且能使前馈信号更快收敛到最佳前馈；调试过程中，参数ε，k从0开始调节，比如：让ε＝n₁ε₀，k＝n₂k₀，其中：n₁，n₂＝0，1，…，N，ε₀＞0，k₀＞0；每调到一组参数，让系统进入稳态，然后通过观察温度误差对参数进行取舍；步骤三：设计决策器决策器的两个功能需要一个判断指标J(n)=∫(n-1)TnTe2(s)ds,]]>其中：J(n)表示第n个时间周期的判断指标，T表示扰动周期，e(t)表示t时刻的误差信号；决策器的第一个功能是决定何时保存控制效果最佳的前馈信号；如果J(n)≤αJ_best，n≥2，那么J_best＝J(n)，其中：α取值在区间[0.8，0.95]，视具体情况而定，J_best表示最佳指标；而且让最佳的前馈信号u_best设置为u_best(θ)＝u_f(θ+(n-1)T)，θ＝[-T，0]；决策器的第二个功能是决定何时将前馈信号切换至最佳前馈信号，在时刻nT时，如果J(n)≥βJ_best，n≥2，那么就让前馈信号自适应学习控制器(2)的u_f(θ)在区间[(n-1)T，nT]上设置为u_f(θ+(n-1)T)＝u_best(θ)，θ＝[-T，0]而且J_best＝βJ_best；修改J_best的目的是让判断指标J_best增大，从而让下一次更新最佳前馈信号成为可能；β取值在区间[1.05，1.2]，视具体情况而定；步骤四：进入设计结束阶段整个设计过程重点考虑了两个方面的控制需求，分别为外界周期扰动的补偿以及温度控制系统的稳定性；围绕这两个方面，首先在上述步骤一中确定了整体的控制方案及闭环控制系统的具体构成，原有反馈控制器将继续利用；步骤二中给出了前馈信号自适应学习控制器参数设计；步骤三中给出决策器的决策逻辑设计；通过试验及仿真，若闭环系统稳定性达不到要求，那么重新返回步骤三，调小α和β在给定区间的取值；若闭环干扰补偿效果达不到要求，那么重新返回步骤二步，增大ε的取值；直至达到最好的效果，到此，该周期扰动补偿设计方法的任务完成，设计结束。