本發明屬于航空航天,具體涉及一種受多種擾動的柔性航天器高精度預定時間姿態跟蹤控制方法。
背景技術:
::1、姿態控制對空間任務的成功執行意義重大。姿態控制系統需要具備高度精確性、穩定性和魯棒性,以應對復雜的空間環境和多樣的任務需求。然而,為航天器設計合適的控制器以滿足性能要求仍然是一項具有挑戰性的工作,這主要是由于存在未知的慣性參數、復雜的空間環境干擾、執行器故障與飽和,以及航天器上的柔性附件產生的彈性變形與耦合效應,這都會降低姿態控制的精度。除此之外,由于許多空間應用對姿態系統的穩定時間有嚴格的要求,有限時間控制系統的收斂時間上界在初始狀態未知的條件下,很難對收斂時間上界進行準確估計;固定時間控制系統的收斂時間上界取決于一個含有多個參數的復雜函數,所以難以通過調整參數決定收斂時間最大值。因此需要設計針對柔性航天器在受多種擾動時的預定時間姿態跟蹤控制策略,使系統的最大收斂時間可通過系統參數顯性表示,并且可以預先設定,以實現高精度、高魯棒性的姿態控制。技術實現思路1、為了解決現有技術存在的問題,本發明為實現受多種擾動的柔性航天器,提出了一種受多種擾動的柔性航天器高精度預定時間姿態跟蹤控制方法。基于rbfnn良好的非線性逼近能力,對柔性航天器系統包含外部擾動、慣性參數不確定性,執行器故障和結構振動的集總擾動進行實時的近似估計和補償。隨后基于預定時間穩定性定理,設計自適應滑模控制器,使得系統的最大收斂時間獨立于其初始狀態,在預定時間內實現航天器的姿態跟蹤。2、本發明的一種受多種擾動的柔性航天器高精度預定時間姿態跟蹤控制方法,包括步驟如下:3、步驟一:基于旋轉矩陣建立包含慣性參數不確定性、外部擾動、執行器飽和及故障、結構振動的柔性航天器的數學模型;4、步驟二:給定期望姿態和期望角速度,根據所述柔性航天器的數學模型得到柔性航天器的誤差數學模型,利用等價的誤差變量建立柔性航天器的誤差運動學和動力學模型;5、步驟三:設計滑模面,結合步驟二得到包含外部環境擾動、慣性參數不確定性,執行器故障和結構振動的集總擾動項,基于rbfnn網絡對集總擾動項進行近似估計和補償;6、步驟四:將rbfnn對集總擾動的輸出作為控制器中的不確定項的補償信號,基于預定時間穩定性定理,設計自適應滑模控制器,使得系統的最大收斂時間獨立于其初始狀態,在預定時間內實現航天器的姿態跟蹤誤差收斂。7、進一步的,所述步驟一包括:8、基于旋轉矩陣描述柔性航天器的運動學和動力學模型:9、,10、;11、式中:是將航天器從本體坐標系轉換為慣性坐標系的旋轉矩陣;是航天器的實際慣性矩陣,其中,標稱慣性矩陣,?是不確定的慣性參數;12、是柔性模態,?表示剛體與柔性結構之間的耦合系數矩陣,用表示第階柔性模態,,是模態阻尼矩陣,剛度矩陣表示,為阻尼比,為固有頻率;13、d表示外部擾動,航天器在本體坐標系中的角速度為,且;14、考慮具有增益故障和附加故障的控制輸入為:15、;16、式中:u為控制輸入,表示執行器的非線性飽和特性,?;設定執行器的最大控制輸入值為,將定義為:17、;18、;19、其中,表示執行器故障系數,,,其中是未知的正常數用來標識執行器是否正常工作;20、為附加故障,滿足,其中是一個未知的正標量。21、進一步的,在步驟二中建立柔性航天器的誤差運動學和動力學模型為:22、柔性航天器的姿態誤差和角速度誤差由下式定義:23、;24、;25、式中,和表示期望姿態和期望角速度;26、選擇誤差向量描述柔性航天器的誤差運動學模型:27、;28、;29、為姿態誤差函數;e為中間變量;30、柔性航天器的誤差動力學模型為:31、;32、;33、;34、f和g為中間變量。35、進一步的,所述步驟三具體為:36、s31設計預定時間滑模面:37、預定時間引理:對于非線性系統?,若存在一個正定連續的lyapunov函數,使得不等式:38、;39、成立,式中,,,是常值,滿足且?;則非線性系統的平衡點是預定時間穩定的,是預定的收斂時間上界;40、根據所述時間引理設定預定時間滑模面的形式為:41、;42、的定義如下:43、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mo>{</mo><mtable><mtr><mtd><msub><mi>φ</mi><mn>1</mn></msub><mi>=</mi><mfrac><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>π</mi></mstyle></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mn>2</mn></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>p</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mrow/><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>1</mi></mstyle></msub></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>t</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mrow/><mrow><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>c</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mrow/><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>1</mi></mstyle></msub></mstyle></mrow></msub></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msqrt><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>λ</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mrow/><mn>1</mn></msub></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>λ</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mrow/><mn>2</mn></msub></mstyle></msqrt></mstyle></mstyle></mfrac><mrow><mo>[</mo><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>λ</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mrow/><mn>1</mn></msub></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>v</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msup><mrow/><mrow><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mn>1</mn></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>?</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mfrac><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>p</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mrow/><mn>1</mn></msub></mstyle></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mn>2</mn></mstyle></mstyle></mfrac></mstyle></mrow></msup></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mo>+</mo></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>λ</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mrow/><mn>2</mn></msub></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mn>2</mn></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msup><mrow/><mfrac><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>p</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mrow/><mn>1</mn></msub></mstyle></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mn>2</mn></mstyle></mstyle></mfrac></msup></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>v</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msup><mrow/><mrow><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mn>1</mn></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mo>+</mo></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mfrac><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>p</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mrow/><mn>1</mn></msub></mstyle></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mn>2</mn></mstyle></mstyle></mfrac></mstyle></mrow></msup></mstyle></mstyle><mo>]</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mi>-1</mi></msup><msub><mi>e</mi><moveraccent="true"><mi>r</mi><mo>?</mo></mover></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>v</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>=</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>e</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mrow/><moveraccent="true"><mi>r</mi><mo>?</mo></mover></msub></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msup><mrow/><mi>t</mi></msup></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>e</mi></mstyle><mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mrow/><moveraccent="true"><mi>r</mi><mo>?</mo></mover></msub></mstyle></mtd></mtr></mtable></mstyle></mstyle>;44、結合預定時間引理,,,是可調參數,為了姿態跟蹤誤差滿足預定時間收斂性,其變化范圍滿足,,?且是可以預設的收斂時間上界值;45、s32將所述預定時間滑模面代入所述柔性航天器的誤差動力學模型中,得到:46、;47、式中,是航天器的標稱動力學部分,是包含外部環境擾動、慣性參數不確定性以及執行器故障和結構振動的不確定動力學部分:48、;49、;50、利用rbfnn網絡對包含外部環境擾動、慣性參數不確定性,執行器故障和結構振動的集總擾動進行補償和近似:51、;52、式中是最優權重矩陣,是神經網絡隱含層的輸出,是估計誤差,且有界,。53、進一步的,步驟四中所述自適應滑模控制器的設計分為兩步:首先設計標稱控制器;再利用自適應率設計被動容錯控制器,對執行器飽和及故障進行處理,則控制輸入為。54、進一步的,所述標稱控制器的形式為:55、;56、是rbfnn的輸出作為集總擾動的補償信號,形式為,是rbfnn的實際權重,利用下列自適應率對其進行更新:57、;58、其中,,為可調參數;選擇rbfnn網絡的輸入向量為;設rbfnn有個神經元,則第個神經元的輸出為:59、;60、,是隱含層第個神經元高斯基函數中心點的坐標向量,是第個神經元高斯基函數的寬度;61、的形式如下:62、;63、結合預定時間引理,,,是可調參數,其變化范圍滿足,,?且是預定時間滑模面收斂時間上界值,且;64、考慮對執行器故障的處理,利用自適應率實現被動容錯控制:65、;66、由自適應率決定,,,是自適應率的可調參數。67、本發明的有益效果:68、本發明考慮了實際工程應用,將rbfnn與自適應滑模控制相結合,在缺少多種擾動先驗信息的情況下對柔性航天器包含外部擾動、慣性參數不確定性,執行器故障和結構振動的集總擾動進行實時地估計和補償,并且在預定時間內實現了柔性航天器的姿態跟蹤控制,確保系統收斂時間的上限可以通過設置參數任意配置、在控制器中可以顯性表示且不受系統初值的限制,該方法魯棒性強、收斂精度高。當前第1頁12當前第1頁12