[发明专利]一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法

摘要

本发明涉及一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法，针对含有环境干扰力矩、惯量不确定性、执行机构噪声以及未建模动态多源干扰的无拖曳卫星姿态通道；首先，对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的系统模型；其次，设计干扰观测器对环境干扰力矩进行估计并补偿，采用鲁棒H∞/H2控制对范数有界的干扰进行抑制，对高斯白噪声进行优化；最后，将基于干扰观测器的控制与鲁棒H∞/H2控制进行复合，构成抗干扰控制器，求解干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵；本发明具有抗干扰能力强、控制精度高等优点，可用于无拖曳卫星的姿态控制中。

主权项

一种无拖曳卫星的抗干扰姿态控制方法，其特征在于包括以下步骤：首先，对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的系统模型；其次，设计干扰观测器对环境干扰力矩进行估计并补偿，采用鲁棒H∞/H2控制对范数有界的干扰进行抑制，对高斯白噪声进行优化；最后，将基于干扰观测器的控制与鲁棒H∞/H2控制进行复合，构成抗干扰控制器，通过线性矩阵不等式求解干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵；具体步骤如下：(1)对无拖曳卫星姿态通道所受的多源干扰进行分析、分类，并建立含多源干扰的系统模型；无拖曳卫星在运行过程中，姿态通道受到的多源干扰包括环境干扰力矩、惯量不确定性、执行机构噪声以及未建模动态，此时，无拖曳卫星的多源干扰模型描述为系统Σ1所示：Σ1:x·(t)=Ax(t)+B(u(t)+f(x,t)+w(t)+d0(t)+d1(t))y(t)=x(t)]]>其中，t表示时间，θ为卫星的滚动角、俯仰角、偏航角组成的列向量，为滚动角速率、俯仰角速率以及偏航角速率组成的列向量；无拖曳卫星的标称转动惯量矩阵J0＝diag{J0x,J0y,J0z}，其中，J0x、J0y、J0z分别为卫星滚动轴、俯仰轴以及偏航轴的转动惯量，系数矩阵03×3表示3行3列的零矩阵，I3×3表示3维单位矩阵，ω0为轨道角速度，u(t)为无拖曳卫星所受到的控制力矩，w(t)为执行机构噪声，表征为高斯白噪声，d0(t)为包括大气阻力力矩、太阳光压力矩、地磁力矩在内的环境干扰力矩，d1(t)为惯量不确定性以及未建模动态带来的等价干扰，表征为范数有界干扰的形式；输出变量y(t)＝x(t)表示系统的全部状态可测；f(x,t)为已知的重力梯度力矩，其满足Lipschitz条件，即对任意的两个系统状态x1(t)，x2(t)，存在已知的矩阵U使得下列不等式成立：||f(x1,t)‑f(x2,t)||≤||U(x1(t)‑x2(t))||；(2)基于步骤(1)建立的多源干扰模型，设计干扰观测器对环境干扰力矩进行估计并补偿，采用鲁棒H∞/H2控制对范数有界干扰进行抑制，对高斯白噪声进行优化；对系统Σ1中的环境干扰力矩设计干扰观测器为：其中，为环境干扰力矩d0(t)的估计值，v(t)为辅助的状态变量，L为待定的观测器增益矩阵；对于范数有界干扰和高斯白噪声，基于H∞/H2原理设计标称控制器为：unorm(t)＝Kx(t)其中，K为待定的控制器增益矩阵；(3)将基于干扰观测器的控制与鲁棒H∞/H2控制进行复合，构成抗干扰控制器，通过线性矩阵不等式求解干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵；基于步骤(2)，抗干扰控制器设计为：u(t)=unorm(t)-d^0(t)]]>定义观测器误差将动力学模型系统与观测器误差系统联立得：Σ2:x·(t)=(A+BK)x(t)+Bd~0(t)+Bf(x,t)+Bd1(t)d~·0(t)=-LBd~0(t)+d·0(t)-LBw(t)-LBd1(t)z1(t)=T1x(t)+T2d~0(t)z2(t)=x(t)]]>其中，z1(t)，z2(t)为参考输出，T1，T2为给定的加权矩阵，增益矩阵K，L的选取应满足：闭环系统Σ2是渐近稳定的，且从d1(t)、以及w(t)到z1(t)的闭环传递函数的H∞范数分别小于给定的上界γ1、γ2以及γ3，同时使得从w(t)到z2(t)的闭环传递函数的H2范数尽可能的小；此问题转化为求解以下凸优化问题：minρsym(AR+BKR)BBB00RUTRT1T*-sym(QLB)0-QLBQ-QLB0T2T**-1λ2I00000***-γ12I0000****-γ22I000*****-γ32I00******-λ2I0*******-I<0]]>sym(AR+BKR)+BTB<0-SR*-R<0]]>Trace(S)<ρ其中，λ>0，γi>0(i＝1,2,3)为任意选定的正数，R＝RT>0，Q＝QT>0，S＝ST>0，KR、QL为矩阵变量，ρ为实数变量，I表示单位矩阵，0表示零矩阵；符号sym表示矩阵与矩阵转置之和，min表示最小值，Trace表示矩阵的对角线元素之和，而符号*表示对称矩阵中相应的对称部分；则观测器增益矩阵为L＝Q‑1QL，抗干扰控制器增益矩阵为K＝KRR‑1。