本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星的高精度高穩(wěn)定度控制技術(shù)，具體涉及一種大型撓性衛(wèi)星高精度高穩(wěn)定度的控制方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)pid控制(比例-積分-微分控制)是當(dāng)前衛(wèi)星姿態(tài)控制所采用的主要方法，目前已經(jīng)發(fā)射的航天器絕大多數(shù)都是采用pid控制或改進(jìn)pid控制。pid控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可調(diào)參數(shù)較少，對(duì)系統(tǒng)控制模型要求較低，通用性強(qiáng)，可靠性高，可以勝任衛(wèi)星撓性附件較小或控制精度要求較低的任務(wù)。但是，由于pid控制器對(duì)外界干擾的抑制能力與加入控制器后閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬成正比，所以當(dāng)撓性附件較大，振動(dòng)模態(tài)頻率較低時(shí)，為了防止控制器激發(fā)撓性附件的振動(dòng)，閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬只能在很低的頻率范圍內(nèi)選取，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的外干擾抑制能力變?nèi)?，從而無(wú)法得到較高的控制精度。

新的航天任務(wù)對(duì)衛(wèi)星的控制精度和穩(wěn)定度提出了更高的要求，但目前很多大型撓性衛(wèi)星高精度高穩(wěn)定度控制存在的以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

(1)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝角度、撓性振動(dòng)頻率等參數(shù)存在較大偏差，不利于控制精度的提高；

(2)衛(wèi)星尺寸較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重力梯度力矩等空間干擾力矩的影響大；

(3)撓性振動(dòng)頻率低，振動(dòng)耦合影響嚴(yán)重，在無(wú)法提供主動(dòng)振動(dòng)抑制的情況下，采用傳統(tǒng)pid控制器時(shí)，需要控制器的帶寬設(shè)計(jì)的盡量低，從而不激發(fā)衛(wèi)星本身的撓性振動(dòng)，但低帶寬不利于提高控制精度。

基于線性魯棒理論的控制算法是一種應(yīng)用廣泛且效果理想的線性魯棒控制方法。該方法通過(guò)選擇需要的性能輸出和設(shè)計(jì)相應(yīng)的加權(quán)函數(shù)，最終獲得滿足所需性能指標(biāo)的控制器，針對(duì)性強(qiáng)，魯棒性好。

因此，對(duì)于大撓性衛(wèi)星的高精度高穩(wěn)定度控制，雖然現(xiàn)階段pid控制可以滿足指標(biāo)要求，但仍存在上述問(wèn)題，有必要考慮更先進(jìn)的魯棒控制算方法，為將來(lái)任務(wù)的升級(jí)和擴(kuò)展進(jìn)行儲(chǔ)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種大型撓性衛(wèi)星高精度高穩(wěn)定度的控制方法，該方法解決了現(xiàn)有技術(shù)低帶寬不利于提高控制精度的問(wèn)題，基于現(xiàn)有星上技術(shù)條件，根據(jù)大型撓性衛(wèi)星的任務(wù)需求，考慮傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)限制，使控制器在閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬足夠低，不會(huì)激發(fā)撓性附件等未建模結(jié)構(gòu)振動(dòng)的同時(shí)，還能夠?qū)?duì)外界干擾以及自身的模型不確定性具有良好的抑制能力，實(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定度的姿態(tài)控制。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種大型撓性衛(wèi)星高精度高穩(wěn)定度的控制方法，該方法包含：

步驟1：根據(jù)任務(wù)要求和被控對(duì)象模型的特點(diǎn)，以傳統(tǒng)pid控制器的性能為參考，采用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)pid控制器；

步驟2：以pid控制器中的閉環(huán)系統(tǒng)作參考，繪制該系統(tǒng)的不同輸入端到輸出端的閉環(huán)頻率響應(yīng)幅頻曲線圖，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建線性魯棒控制器使用的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選取性能輸出并設(shè)計(jì)加權(quán)函數(shù)；

步驟3：將加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)和系統(tǒng)自身的狀態(tài)空間方程合并構(gòu)成廣義系統(tǒng)，通過(guò)廣義系統(tǒng)得到線性矩陣不等式，再求解線性矩陣不等式，得到高精度高穩(wěn)定度控制器；

步驟4：選取合適的控制周期，將高精度高穩(wěn)定度控制器離散化，得到離散方程，在該控制周期內(nèi)，高精度高穩(wěn)定度控制器軟件根據(jù)離散方程和控制邏輯不斷更新控制器狀態(tài)量和控制器輸出量，通過(guò)星載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的控制算法；

在步驟4中，所述的控制器輸入量包含：姿態(tài)信息、角速度信息。

在步驟1和步驟2中，以傳統(tǒng)pid控制器為基礎(chǔ)，根據(jù)串級(jí)控制和干擾狀態(tài)觀測(cè)前饋兩種改進(jìn)控制策略的閉環(huán)頻率響應(yīng)特點(diǎn)，構(gòu)建兩種設(shè)計(jì)線性魯棒控制器的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在兩種閉環(huán)系統(tǒng)中，根據(jù)所述的兩種閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分別確定兩種閉環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)不確定性和/或干擾輸入量以及性能輸出量，所述的第一種閉環(huán)系統(tǒng)的性能輸出總量包含：姿態(tài)控制誤差z1、控制器輸出力矩z2和實(shí)際姿態(tài)z3；第一種閉環(huán)系統(tǒng)的干擾輸入總量w＝w’，w’為衛(wèi)星模型不確定性和干擾輸入量；所述的第二種閉環(huán)系統(tǒng)的選擇性能輸出量包含：姿態(tài)控制誤差z1和控制器輸出力矩z2；第二種閉環(huán)系統(tǒng)的干擾輸入總量w＝[w1,w2]，w1為干擾輸入量，w2為額外輸入量。

在步驟2中，選取第一種閉環(huán)系統(tǒng)，為了控制系統(tǒng)在低帶寬下的控制精度，同時(shí)使控制器對(duì)質(zhì)量和撓性不確定性有魯棒性，設(shè)計(jì)加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)為：

式(1)和式(2)中，w1和w2均為加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)，k1為w1的可調(diào)參數(shù)，k2為w2的可調(diào)參數(shù)，s為laplace變換后的復(fù)參數(shù)。

在步驟2中，選取第二種閉環(huán)系統(tǒng)，為了控制系統(tǒng)的積分特性，對(duì)低頻干擾力矩有觀測(cè)的作用，設(shè)計(jì)加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)為：

式(3)和式(4)中，w1和w2均為加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)，k1為w1的可調(diào)參數(shù)，k2為w2的可調(diào)參數(shù)，s為laplace變換后的復(fù)參數(shù)。

在步驟3中，所述的被控對(duì)象的自身狀態(tài)空間方程為：

式(5)為系統(tǒng)狀態(tài)方程，式(6)為系統(tǒng)量測(cè)方程，式(7)為系統(tǒng)性能輸出方程，其中，x為被控對(duì)象的狀態(tài)量，z為全部性能輸出量，y為控制器輸入量，w為干擾輸入總量，a、b1、b2、c1、c2、d11、d12、d21和d22為被控對(duì)象動(dòng)力學(xué)模型的狀態(tài)空間矩陣，u為控制器輸出量；在第一種閉環(huán)系統(tǒng)中，z＝[z1,z2,z3]；在第二種閉環(huán)系統(tǒng)中，z＝[z1,z2]。

在步驟3中，所述的加權(quán)函數(shù)滿足的狀態(tài)空間表達(dá)式為：

式(8)為加權(quán)函數(shù)滿足的狀態(tài)方程，式(9)為加權(quán)函數(shù)滿足的性能輸出方程，其中，xz為加權(quán)函數(shù)狀態(tài)量，yz為加權(quán)函數(shù)的輸出量，az、bz、cz和dz均為加權(quán)函數(shù)的狀態(tài)空間表達(dá)式的參數(shù)矩陣。

在步驟3中，根據(jù)所述的閉環(huán)系統(tǒng)自身的狀態(tài)空間方程和所述的加權(quán)函數(shù)滿足的狀態(tài)方程和性能輸出方程，得到的廣義系統(tǒng)為：

在步驟3中，所述的廣義系統(tǒng)采用消元法或變量替換法獲得線性矩陣不等式。

在步驟4中，所述的離散化方程為：

x(k+1)＝akx(k)+bku(k)(13)

y(k+1)＝ckx(k)+dku(k)(14)

式(13)為狀態(tài)離散化方程，式(14)為輸出性能離散化方程，其中，x為控制器狀態(tài)量，y為控制器輸入量，k為更新律第k步，ak、bk、ck和dk均為控制器參數(shù)矩陣，u為控制器輸出量。

在步驟4中，采樣周期和所述的控制周期相等；所述的姿態(tài)信息包含：姿態(tài)角；所述的角速度信息包含：姿態(tài)角速度；在兩種閉環(huán)系統(tǒng)中，所述的控制器輸入量y等于被控對(duì)象的輸出量，所述的控制器輸出量u等于被控對(duì)象的輸入量；所述的控制邏輯為：

第一步：判斷當(dāng)前時(shí)刻控制周期是否為初始周期，當(dāng)該周期為初始周期時(shí)，控制器狀態(tài)量的初始值為0；當(dāng)該周期不是初始周期時(shí)，控制器狀態(tài)量為上一周期結(jié)束時(shí)的控制器狀態(tài)量；

第二步：根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻控制周期的控制器輸出量和離散化方程，計(jì)算該控制周期內(nèi)下一時(shí)刻的控制器狀態(tài)量；

第三步：判斷該周期是否結(jié)束，該周期未結(jié)束，通過(guò)狀態(tài)離散化方程，繼續(xù)計(jì)算該控制周期內(nèi)下一時(shí)刻的控制器狀態(tài)量，至該周期結(jié)束；該周期結(jié)束，以該周期結(jié)束計(jì)算的控制器狀態(tài)量作為下一控制周期的控制器狀態(tài)量的初始值，計(jì)算該周期結(jié)束時(shí)的被控對(duì)象輸出量，并進(jìn)入下一周期循環(huán)第一步至第三步。

本發(fā)明的大型撓性衛(wèi)星高精度高穩(wěn)定度的控制方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)低帶寬不利于提高控制精度的問(wèn)題，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的控制方法通過(guò)選取性能輸出表征外界干擾以及模型不確定性對(duì)系統(tǒng)的影響，并設(shè)計(jì)加權(quán)函數(shù)，依據(jù)h∞范數(shù)要求得到線性魯棒控制器，使得干擾和不確定性輸入到性能輸出的增益范數(shù)最小。設(shè)計(jì)方法和參數(shù)的選取更有針對(duì)性，所得控制器具有類(lèi)似pid控制附加狀態(tài)觀測(cè)器的形式，可以對(duì)被控系統(tǒng)的模型不確定性進(jìn)行估計(jì)并對(duì)干擾力矩進(jìn)行前饋補(bǔ)償，能夠充分利用有限的傳感器信息和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能力，發(fā)掘控制系統(tǒng)的潛力，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星控制精度和穩(wěn)定度的大幅提高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的控制方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明的第一種閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的第二種閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的第一種閉環(huán)系統(tǒng)中加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)w1和w2的頻率響應(yīng)曲線圖。

圖5為本發(fā)明的第二種閉環(huán)系統(tǒng)中加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)w1和w2的頻率響應(yīng)曲線圖。

圖6為本發(fā)明的一個(gè)控制周期內(nèi)的控制邏輯圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例1的半物理實(shí)驗(yàn)得到的姿態(tài)誤差曲線。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例1的半物理實(shí)驗(yàn)得到的撓性模態(tài)位移誤差曲線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，為本發(fā)明的控制方法的流程圖，該方法包含：

步驟1：根據(jù)任務(wù)要求和被控對(duì)象特點(diǎn)，以傳統(tǒng)pid控制器的性能為參考，采用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)pid控制器；

步驟2：以pid控制器中的閉環(huán)系統(tǒng)作參考，繪制該系統(tǒng)的不同輸入端到輸出端的閉環(huán)頻率響應(yīng)幅頻曲線圖，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建線性魯棒控制器使用的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選取性能輸出并設(shè)計(jì)加權(quán)函數(shù)；

步驟3：將加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)和系統(tǒng)自身的狀態(tài)空間方程合并構(gòu)成廣義系統(tǒng)，通過(guò)廣義系統(tǒng)得到線性矩陣不等式，再求解線性矩陣不等式，得到高精度高穩(wěn)定度控制器；

步驟4：選取合適的控制周期，將高精度高穩(wěn)定度控制器離散化，得到離散方程，在該控制周期內(nèi)，高精度高穩(wěn)定度控制器軟件根據(jù)離散方程和控制邏輯不斷更新控制器狀態(tài)量和控制器輸出量，通過(guò)星載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的控制算法。

在步驟4中，所述的控制器輸入量包含：姿態(tài)信息、角速度信息。

在步驟1和步驟2中，以經(jīng)典控制理論中的pid控制器為基礎(chǔ)，考慮常用的改進(jìn)pid控制器，根據(jù)串級(jí)控制和干擾觀測(cè)前饋的改進(jìn)控制策略的閉環(huán)頻率響應(yīng)特點(diǎn)，構(gòu)建兩種閉環(huán)系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，第一種閉環(huán)系統(tǒng)根據(jù)串級(jí)控制策略設(shè)計(jì)；第二種閉環(huán)系統(tǒng)根據(jù)干擾狀態(tài)觀測(cè)器的控制策略設(shè)計(jì)。在兩種閉環(huán)系統(tǒng)中，根據(jù)兩種閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分別確定兩種閉環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)不確定性和/或干擾輸入量以及性能輸出量。

如圖2所示，為本發(fā)明的第一種閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，第一種閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類(lèi)似于串級(jí)控制策略，即內(nèi)環(huán)帶寬高，干擾抑制能力強(qiáng)，外環(huán)帶寬低，降低姿態(tài)傳感器(如星敏感器)的噪聲影響。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，第一種閉環(huán)系統(tǒng)的w＝w’，w’為模型不確定性和干擾輸入量，其性能輸出量包含：姿態(tài)控制誤差z1、實(shí)際姿態(tài)z3和控制器輸出力矩z2，k(s)為控制器傳遞函數(shù)。g0(s)為名義系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(即不考慮不確定性的理想衛(wèi)星模型)，δ為歸一化后的乘性不確定性。

如圖3所示，為本發(fā)明的第二種閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，第二種閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類(lèi)似于干擾狀態(tài)觀測(cè)器的控制策略，通過(guò)觀測(cè)低頻干擾并前饋補(bǔ)償來(lái)提高控制精度。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，第二種閉環(huán)系統(tǒng)的w＝[w1,w2]，w1為干擾輸入量，w2為額外輸入量，w2是為方便控制器求解而額外加入的輸入量，第二種閉環(huán)系統(tǒng)性能輸出量包含：姿態(tài)控制誤差z1和控制器輸出力矩z2。

在第一種閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，z1反映系統(tǒng)的控制精度以及抗干擾能力，即系統(tǒng)在低頻段的性能；z2反映控制力矩輸出的大小，考慮該輸出可起到控制輸出增益限幅的作用，防止控制器輸出的控制力矩過(guò)大；z3反映系統(tǒng)對(duì)模型不確定性的魯棒性，即對(duì)高頻不確定性的抑制能力。

在第二種閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，z1反映系統(tǒng)的控制精度，為了在低帶寬下提高控制精度，加權(quán)函數(shù)需要具有積分的性質(zhì)；z2反映控制帶寬。第二種閉環(huán)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮撓性不確定性，設(shè)計(jì)完后通過(guò)分析檢查是否能夠抑制不確定性。根據(jù)不同pid控制器的特點(diǎn)可以采用不同的系統(tǒng)，所以選取的性能輸出量含義也不同，每次設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)任務(wù)需要和工程經(jīng)驗(yàn)選擇系統(tǒng)。

在步驟2中，選取第一種閉環(huán)系統(tǒng)，為了使系統(tǒng)在低帶寬(等價(jià)于串級(jí)控制的外環(huán)帶寬，用于防止傳感器噪聲引起控制器振動(dòng)，造成撓性附件大幅振動(dòng))下有較高的控制精度，同時(shí)控制器能夠盡可能的對(duì)質(zhì)量和撓性不確定性有魯棒性，設(shè)計(jì)加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)為：

式(1)和式(2)中，k1為w1的可調(diào)參數(shù)，k2為w2的可調(diào)參數(shù)，s為laplace變換(拉普拉斯變換)后的復(fù)參數(shù)。如圖4所示，本發(fā)明的第一種閉環(huán)系統(tǒng)中加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)w1和w2的頻率響應(yīng)曲線圖，其為設(shè)定的干擾輸入總量w(即w’)到控制器輸出量y和控制器輸入量u的頻率響應(yīng)上界。通過(guò)w1可限定干擾輸入總量w(即w’)到控制器輸出量y的頻率響應(yīng)，抑制干擾對(duì)控制器輸出量y的影響。通過(guò)w2可限定干擾輸入總量w(即w’)到控制器輸入量u(控制力矩)的頻率響應(yīng)，防止單機(jī)模型高頻不確定性產(chǎn)生較大的控制力矩影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過(guò)調(diào)節(jié)k1、k2，可以對(duì)頻率響應(yīng)曲線進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整，以滿足設(shè)計(jì)要求。

在步驟2中，選取第二種閉環(huán)系統(tǒng)，為了使系統(tǒng)具有一定的積分特性，能夠?qū)Φ皖l干擾力矩起到觀測(cè)的作用，設(shè)計(jì)加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)為：

式(3)和式(4)中，k1、k2的含義和作用與第一種系統(tǒng)相同，k1為w1的可調(diào)參數(shù)，k2為w2的可調(diào)參數(shù)，s為laplace變換(拉普拉斯變換)后的復(fù)參數(shù)。第二種閉環(huán)系統(tǒng)在選擇加權(quán)函數(shù)時(shí)沒(méi)有考慮撓性不確定性的影響，控制器設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)行分析來(lái)檢驗(yàn)撓性不確定是否會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

如圖5所示，為本發(fā)明的第二種閉環(huán)系統(tǒng)的加權(quán)函數(shù)w1和w2的頻率響應(yīng)曲線圖。通過(guò)w1可限定干擾輸入量w1到控制器輸出量y的頻率響應(yīng)，抑制干擾對(duì)控制器輸出量y的影響。通過(guò)w2可限定干擾輸入量w1到控制器輸入量u(即控制力矩)的頻率響應(yīng)，限制閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬，被動(dòng)的抑制模型不確定性的影響。

在步驟3中，被控對(duì)象的自身狀態(tài)空間方程為：

式(5)為系統(tǒng)狀態(tài)方程，式(6)為系統(tǒng)量測(cè)方程，式(7)為系統(tǒng)性能輸出方程，其中，x為被控對(duì)象的狀態(tài)量，z為全部性能輸出量，y為控制器輸入量，w為干擾輸入總量，a、b1、b2、c1、c2、d11、d12、d21和d22為被控對(duì)象動(dòng)力學(xué)模型的狀態(tài)空間矩陣，可直接根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型以及加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)得到，u為控制器輸出量；在第一種閉環(huán)系統(tǒng)中，z＝[z1,z2,z3]；在第二種閉環(huán)系統(tǒng)中，z＝[z1,z2]。

在步驟3中，加權(quán)函數(shù)滿足的狀態(tài)空間表達(dá)式為：

式(8)為加權(quán)函數(shù)滿足的狀態(tài)方程，式(9)為加權(quán)函數(shù)滿足的性能輸出方程，其中，xz為加權(quán)函數(shù)狀態(tài)量，yz為加權(quán)函數(shù)的輸出量，z為性能輸出總量，az、bz、cz和dz均為加權(quán)函數(shù)的狀態(tài)空間表達(dá)式的參數(shù)矩陣(由上述加權(quán)函數(shù)的傳遞函數(shù)直接得到)。

在步驟3中，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)自身的狀態(tài)空間方程和加權(quán)函數(shù)滿足的狀態(tài)方程和性能輸出方程，得到的廣義系統(tǒng)為：

在步驟3中，廣義系統(tǒng)采用消元法或變量替換法獲得線性矩陣不等式。

在步驟4中，離散化方程為：

x(k+1)＝akx(k)+bku(k)(13)

y(k+1)＝ckx(k)+dku(k)(14)

式(13)為狀態(tài)離散化方程，式(14)為輸出性能離散化方程，其中，x為控制器狀態(tài)量，y為控制器輸入量(被控對(duì)象的輸出量)，k為更新律第k步，ak、bk、ck和dk均為控制器參數(shù)矩陣(通過(guò)求解lmi的軟件直接求出)，u為控制器輸出量(被控對(duì)象的輸入量)。

在步驟4中，采樣周期和控制周期相等；控制器輸入量為姿態(tài)角θ和姿態(tài)角速度控制器輸出量為控制力矩。在衛(wèi)星進(jìn)入穩(wěn)態(tài)模式后，由星敏感器和陀螺通過(guò)kalman濾波得到當(dāng)前的姿態(tài)角信息和角速度信息，并將該信息反饋至控制器。控制器采樣姿態(tài)信息的時(shí)刻，也是一個(gè)控制循環(huán)的初始時(shí)刻(開(kāi)始進(jìn)入初始周期)。在兩種閉環(huán)系統(tǒng)中，控制器輸入量y等于被控對(duì)象的輸出量，控制器輸出量u等于被控對(duì)象的輸入量。如圖6所示，為本發(fā)明的一個(gè)控制周期內(nèi)的控制邏輯圖，步驟4中的控制邏輯為：

第一步：判斷當(dāng)前時(shí)刻控制周期是否為初始周期，當(dāng)該周期為初始周期時(shí)，控制器狀態(tài)量初始值為0；當(dāng)該周期不是初始周期時(shí)，控制器狀態(tài)量為上一周期的控制器狀態(tài)量；

第二步：根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻控制周期的控制器輸出量和離散化方程，計(jì)算該控制周期內(nèi)下一時(shí)刻的控制器狀態(tài)量；

第三步：判斷該周期是否結(jié)束，該周期未結(jié)束，通過(guò)狀態(tài)離散化方程，繼續(xù)計(jì)算該控制周期內(nèi)下一時(shí)刻的控制器狀態(tài)量，至該周期結(jié)束；該周期結(jié)束，以該周期結(jié)束計(jì)算的控制器狀態(tài)量作為下一控制周期的控制器狀態(tài)量的初始值，計(jì)算該周期結(jié)束時(shí)的被控對(duì)象輸出量(控制器輸入量)，并進(jìn)入下一周期循環(huán)第一步至第三步。

實(shí)施例1

按照本發(fā)明的步驟1-3得到高精度高穩(wěn)定度控制器，然后將高精度高穩(wěn)定度控制器離散化，得到上述離散方程。

設(shè)定采樣周期tn和控制周期ts相等，并且傳統(tǒng)pid控制器采樣到姿態(tài)信息的時(shí)刻，也是一個(gè)控制循環(huán)的初始時(shí)刻(開(kāi)始進(jìn)入初始周期)。

在采樣時(shí)刻tn，由計(jì)算機(jī)采樣得到tn時(shí)刻衛(wèi)星俯仰軸的姿態(tài)角θ(tn)和角速度信息作為被控對(duì)象輸入量(控制器輸出量u)，即

其中，n表示自控制器作用起第n個(gè)采樣(控制)周期。選取一時(shí)間索引量k，初始值為0，令u(0)＝u(tn)。若為初始周期，即n＝0時(shí)，則取x(0)＝0，在其余控制周期則取x(0)＝x(tn)，x(tn)為上一控制周期更新后的控制器狀態(tài)量。將控制周期ts等分為n個(gè)分段，即k＝0,1,..n，t(0)＝tn,t(n)＝tn+1，這意味著控制器的狀態(tài)在每個(gè)控制周期內(nèi)要更新n次。在每一次更新時(shí)，對(duì)控制器的狀態(tài)量按離散化方程進(jìn)行更新，即在每一個(gè)更新時(shí)間t(k)處，都以u(píng)(tn)作為輸入u(k)，計(jì)算得到下一更新時(shí)刻t(k+1)的狀態(tài)x(k+1)，直至得到x(n)，再根據(jù)如下離散化方程：

y(n)＝ckx(n)+dku(n)

得到當(dāng)前控制周期的被控對(duì)象輸出量y(tn)＝y(tǒng)(n)(控制器輸入量)，狀態(tài)量x(n)作為下一個(gè)控制周期的控制器狀態(tài)量初始值x(0)，通過(guò)前饋補(bǔ)償?shù)淖饔?，?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新，大幅度提高衛(wèi)星控制的精度和穩(wěn)定度。

如圖7所示，為本發(fā)明實(shí)施例1的半物理實(shí)驗(yàn)得到的姿態(tài)誤差曲線(x、y、z分別代表滾動(dòng)角、俯仰角和偏航角的控制誤差)，如圖8所示，為本發(fā)明實(shí)施例1的半物理實(shí)驗(yàn)得到的撓性模態(tài)位移誤差曲線，可以看出與目前在軌使用的pid控制器相比，最終姿態(tài)誤差小于0.002度，小于傳統(tǒng)pid控制器的0.01度，控制精度和對(duì)撓性振動(dòng)的被動(dòng)抑制效果都有了顯著提高。

綜上所述，本發(fā)明的大型撓性衛(wèi)星高精度高穩(wěn)定度的控制方法，該方法可以對(duì)干擾力矩和單機(jī)模型的不確定性進(jìn)行估計(jì)并對(duì)干擾力矩進(jìn)行前饋補(bǔ)償，能夠更充分利用有限的傳感器信息和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能力，發(fā)掘控制系統(tǒng)的潛力，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星控制精度和穩(wěn)定度的大幅提高。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。