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专利号: 2020110793698
申请人: 北京理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2023-08-31
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种小天体探测器绕飞轨道跟踪控制方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:步骤1、根据未知扰动的小天体探测器环绕动力学模型,设计非线性扰动观测器对小天体探测器受到的外部环境扰动进行估计,并观测其动态特性并补偿到控制器:其中,

r=[x,y,z]T表示探测器在小天体中心固连坐标下的位置矢量;

v=[vx,vy,vz]T表示探测器在小天体中心固连坐标下的速度矢量;

τ=[τ1,τ2,τ3]T表示动态面自适应滑模控制器的输出,为x,y,z三轴上的控制力加速度τ1,τ2,τ3组成的控制向量;

为扰动估计值组成的向量;

M为非线性扰动观测器的中间向量;

Q1∈R3×3为正定参数矩阵;

步骤2、设计自适应律对扰动观测器输出的观测误差界进行估计:ev=v-vd;

其中,

ev为速度误差矢量;

Θ(ev)=diag{tanh(evx/ε1),tanh(evy/ε2),tanh(evz/ε3)}∈R3;

ε1、ε2、ε3为可调整的参数;

Γ=diag{γ1,γ2,γ3}∈R3×3、Λ=diag{σ1,σ2,σ3}∈R3×3均为正定参数对角阵;

为 的先验估计,i=x,y,z;

为扰动观测误差组成的向量;

为扰动观测误差的上界组成的向量;

为扰动观测误差的上界的估计值组成的向量;

步骤3、通过动态面技术来解决在自适应律设计过程中需要对虚拟控制量进行求导产生的微分爆炸问题:其中,

TL为滤波器时间常数;

步骤4、设计与代替符号函数的双曲正切函数相结合的控制器:er=r-rd;

其中,

Θ(ev)=diag{tanh(evx/ε1),tanh(evy/ε2),tanh(evz/ε3)}∈R3;

ε1、ε2、ε3为可调整的参数;

Q3∈R3×3为正定参数矩阵;

er为位置误差矢量;

步骤5、将动态面自适应滑模控制器的输出τ作为伪速率调制器的输入,使得伪速率调制器输出驱动推力器工作的调谐振荡脉冲,使推力器在翻滚轴、航向轴、俯仰轴上产生控制力矩抵消干扰力矩,从而有效削弱外部干扰对探测的影响,提高轨道跟踪控制精度。

2.根据权利要求1所述方法,其特征在于:步骤2的非线性扰动观测器的设计过程主要包括以下步骤:步骤2.1、对于所述动力系统,可利用扰动的实际值与扰动观测器输出的估计值之间的误差来使扰动观测器输出的估计值更加准确,因此可得如下方程:步骤2.2、对于上述扰动观测器方程,对于不便测量的状态 项,需要采用如下中间向量:则原扰动观测器的输出估计值方程可重写为:

3.根据权利要求1所述方法,其特征在于:传统滑模中,通常会采用符号函数来设计控制律,但这会使得系统发生抖振,对系统造成不良影响,所以将结合双曲正切函数的自适应律来对控制律进行设计,从而削弱抖振,步骤5的控制律设计主要包括以下步骤:步骤3.1、在传统反演法步骤4的基础上选择李雅普诺夫函数:对选择的李雅普诺夫函数两边同时关于时间求导:假设zd已知,可设计如下控制律:

可得当满足下式时,可以保证系统稳定:其中,Q3为正定参数对角阵;

步骤3.2、重新定义小天体探测器的速度误差向量:ev=v-vd;

由于传统反演法要求外部环境已知的条件很难实现,因此采用滑模对控制律进行如下设计,以提高系统对外界干扰的鲁棒性:其中,

Sgn(ev)=diag{sgn(evx),sgn(evy),sgn(evz)}∈R3,sgn(·)为符号函数,evi是evx轴,y轴,z轴上的分量,i=x,y,z;

为外部扰动的上界;

由于权利要求2中所设计的扰动观测器可以利用其估计输出对未知干扰进行补偿,进而削弱抖振,因此为了避免采用传统滑模中由符号函数引发的抖振,可以通过利用权利要求2中所设计的扰动观测器将控制律改写为:考虑到扰动观测器的输出估计值与实际扰动之间存在的误差会使得控制律的控制效果受到影响,因此结合双曲正切函数的自适应律来对控制律进行优化,优化后的控制律如下: