基于效能矩阵因子化的轮控航天器控制分配方法研究

发布时间：2020-08-21 19:39

【摘要】：因输出精度高、不消耗燃料等特点,反作用飞轮是现代航天器最常用的姿态控制执行机构。冗余的反作用飞轮能够提高系统的可靠性和控制性能,但飞轮冗余配置使得期望控制力矩与各飞轮输出之间的映射关系不再唯一确定,给航天器姿态控制引入了新的问题。本文以冗余配置的轮控航天器为研究对象,使用输入矩阵分解的方法,研究了反作用飞轮控制分配问题,主要包括通用飞轮算法建立、分配优化算法求解和限制性控制分配问题。针对现有飞轮控制分配算法针对特定场景设计、适应性差等问题,提出了一种基于输入矩阵因子的通用反作用飞轮分配算法。首先利用输入矩阵因子化建立飞轮系统输入与输出空间,并将输入空间分解为工作空间和零运动空间从而确立了输入与输出一对一的映射关系,能够实现与飞轮任意输出相对应的输入在工作空间中分量的唯一确定。在此基础上,将飞轮分配中的误差优化和分配优化分离,给出了一种具有通用性的控制分配解形式,可应用优化目标不同的分配问题中。理论分析证明了该算法与特定算法的等价性。通过利用飞轮系统冗余度能够实现对分配结果的优化,能够在保证控制分配精确性的同时,提高飞轮运动和控制等其他性能。提出了一种基于梯度的反作用飞轮分配优化方法。通过在飞轮零运动空间内设计最速优化路径,实现了在不影响分配误差前提下的最优优化分配。分别在飞轮输入二次最优和负载均衡等不同场景中,结合具体的背景和控制分配要求将所提出算法具体化,并给出了能量降解和避免不必要饱和的策略。仿真结果验证了相应算法的有效性。针对飞轮输出受限的问题,提出了一种基于三维点云算法的飞轮动态分配可达集方法。在采用三维点云算法建立飞轮可达集和算法可达集模型的基础上,将其转化为控制路径约束,给出了满足可达集约束的航天器姿态控制力矩设计模型,保证了给定的航天器控制性能能够完全实现。同时针对控制允许集对控制分配的限制,根据可达集与控制允许集的完整映射关系,在飞轮零运动空间内提出了一种超限分配结果修正算法。实现对超过控制允许集的分配结果进行修正,使得可达集利用率达到100%。仿真结果表明所提算法能够有效实现给定航天器控制性能与控制分配效果。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.2
【图文】：

执行机构,航空器,在航,航天

航天技术的发展，航天器控制任务对自主性和可靠性的要求显著制系统能保证高性能的控制效果，如快速机动和精确跟踪等；还在空间环境中有较高的可靠性，即使在某些故障情况下，依旧可。从控制的角度看，实现上述控制性能要求的关键在于执行机构执行。控制器设定了航天器姿态性能，而执行机构通过输出物理力矩。）来实现这些性能要求。现代航天器一般采用冗余执行机的数目远大于航天器运动的自由度。执行机构冗余性提高了系在某些执行机构失效情况下，其他的执行机构仍旧可以重构并完同时，较多的执行机构使得系统可以输出更大的控制力矩，较大器的敏捷性和对任务的响应能力。在航天器姿态控制任务中，常作用发飞轮[1]、控制力矩陀螺[2,3]和推力器[4,5]等。以反作用飞轮行机构因其精确输出和不消耗化学燃料等特点得到了广泛的研于质量和燃料有限的小卫星，反作用飞轮和磁力矩器是最常见机构组合[6, 7]。反作用飞轮因而成为了控制分配研究经典的对象器姿态控制为背景，研究姿态控制中反作用飞的相关控制分配问

卫星姿态控制系统,航天局,美国航空,执行机构

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Environment Explorer）的姿态控制系统是由 4 个飞轮和多个推力器构成冗余混合执行机构。在 F18 战斗机控制系统中，执行机构的数目达到 30 个[1]。冗余的执行机构在提高航天任务可靠性的同时导致了其他的控制问题。由于控制作用由整个执行机构提供，因此必须在各执行机构之间进行合理的分配，以确定各个单元的输出贡献[14, 15]。在冗余的执行机构中，不同的执行机构运动向量可产生同样的控制力/力矩。该现象可以解释为：冗余执行机构系统中的部分运动向量不产生外作用，对该部分的调整会导致无穷多产生同样作用的执行机构单元输出[16]。在众多可行的执行机构运动向量中任选一个都可以完成对控制力/力矩指令的跟踪，然而为提高“控制质量”，需要依据一定法则选择“最优”解，这就是控制分配。通过控制分配可以实现执行机构消耗[17]和误差最优[18]、负载均衡[18-20]等，其已广泛应用于航空、航天和航海等复杂系统。同时，控制分配的引入使得控制器与执行机构分离，控制器的设计可以独立于执行机构的特性[21]。引入控制分配还具有以下的优点：第一，可以考虑执行机构的约束，合理充分的利用执行机构；第二，如果执行机构失效，不必去重新设计控制律，可以直接对执行机构实现重组[22,23]；第三，可以在控制分配过程中实现滤波，将最佳的控制信号分配给执行机构。

对比图,控制分配,结果对比

- 32 -图 3-3 反作用飞轮输入输出空间内控制分配结果对比图 3-4 给出了两种控制分配算法作用下的控制输出和系统状态的运动路ath1 表示通用分配算法，Path2 表示广义逆算法。可以看到两者在运动路着一致，误差可以忽略不计，这是由于控制分配结果在工作空间中的分生输出力矩的分量）相差非常小，仅为510-量级。在零运动空间中的分配be则体现在对优化指标的影响上，图3-4中优化指标的误差最大仅为0.0误差在实际中可以接受。

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