一種含模型參數不確定性平流層衛星的經向偏移分級控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種含模型參數不確定性平流層衛星的經向偏移分級控制方法，通過 把系統分解為含參數不確定性的三個級聯子系統，并根據相應子系統分別設計自適應控制 律、反饋線性化控制律和滑模變結構控制律來實現平流層衛星的經向偏移控制，為平流層 衛星的環地球煒度自主飛行提供了更可靠的技術方案，屬于自動控制技術領域。
【背景技術】
[0002] 臨近空間為海拔20~IOOkm的空間范圍，其底部（海拔10~50km)為平流層范 圍。平流層大氣上下對流小，以穩定的大氣環流為主。臨近空間飛行器主要工作在海拔20km 以上平流層。作為一種新型臨近空間飛行器，平流層衛星在傳統高空氣球的基礎上加裝了 動力裝置來控制其經向偏移，以實現在穩定的大氣環流作用下環地球煒度方向飛行。如圖 1所示，本發明針對的平流層衛星由高空氣球、吊艙、系繩和帶方向舵的氣動帆構成。其中 氣球工作在海拔35km的高度，而氣動帆通過長達15km的系繩懸掛于氣球之下，工作在海拔 20km的高度。氣球和氣動帆所在高度的風速差可達20m/s，調整氣動帆方向舵可利用這一 風速差改變氣動帆的偏航角，從而改變氣動帆所受的氣動力，該氣動力通過系繩作用于氣 球進而控制平流層衛星的經向偏移。與其它同類型的平流層飛行器相比，平流層衛星在能 耗、制造、發射、回收和維護等方面有諸多優勢。
[0003] 為實現平流層衛星經向偏移的控制，現有的控制設計多基于參數已知的確定模 型。實際上，受工作環境和測量精度的影響，一些模型參數（主要是慣性參數和氣動參數） 不可避免地具有不確定性，故無法得到參數已知的確定模型，也就難以實現平流層衛星經 向偏移的有效控制。本發明的控制律設計基于一種六自由度動力學模型，模型中的慣性參 數（氣球附加慣性質量和氣動帆轉動慣量）與氣動參數（氣球阻力系數、氣球等效面積、氣 動帆氣動中心和方向舵氣動中心）均存在不確定性。理論分析表明，對此模型無法用整體 反饋線性化方法設計控制律進行經向偏移控制，故依據平流層衛星的飛行機理，從六自由 度動力學模型中提取出含參數不確定性的三個級聯子系，并針對這三個子系統依次設計自 適應控制律、反饋線性化控制律和滑模控制律，更可靠地實現平流層衛星經向偏移的高精 度控制。
【發明內容】
[0004] (1)目的：本發明旨在提供一種含模型參數不確定性的平流層衛星經向偏移分級 控制方法，它涉及三個含參數不確定性級聯子系統的自適應控制律、反饋線性化控制律和 滑模變結構控制律設計。
[0005] (2)技術方案：本發明的主要內容是：首先確定實現平流層衛星經向偏移控制所 用的六自由度動力學模型，然后對其進行參數不確定性分析，接著為克服無法用整體反饋 線性化方法直接設計平流層衛星經向偏移控制律的難點，根據平流層衛星的飛行機理，從 上述六自由度模型中提取出"球-繩子系統"、"繩-帆子系統"和"帆-舵子系統"這三個 含不確定參數的級聯子系統模型，再將"舵控制球"的控制問題分解為"舵控制帆"、"帆控制 繩"和"繩控制球"這三個子控制問題，并分別設計這三個子問題的控制律。先基于"球-繩 子系統"模型用自適應控制方法設計出實現平流層衛星經向偏移控制所需的系繩側偏角， 再基于"繩-帆子系統"模型用反饋線性化方法設計出跟蹤系繩側偏角所需的氣動帆偏航 角，最后基于"帆-舵子系統"模型用滑模控制方法設計出跟蹤氣動帆偏航角所需的方向舵 偏角。分別選取三個級聯子系統的控制器參數，使"帆-舵子系統"的響應速度快于"繩-帆 子系統"，且"繩-帆子系統"的響應速度快于"球-繩子系統"，最終可在含模型參數不確定 性的情況下更可靠地實現平流層衛星經向偏移的高精度控制。
[0006] 為實現上述方案，本發明"一種含模型參數不確定性的平流層衛星經向偏移分級 控制方法"的具體設計步驟如下：
[0007] 步驟一選取控制模型，這里采用一種平流層衛星六自由度動力學模型；
[0008] 步驟二分析模型參數不確定性，其中主要考慮慣性參數和氣動參數的不確定性；
[0009] 步驟三從六自由度動力學模型中分別提取出"球-繩子系統"、"繩-帆子系統"和 "帆-舵子系統"模型，并定義組合參數；
[0010] 步驟四基于"球-繩子系統"模型用自適應控制方法設計跟蹤平流層衛星經向期 望軌跡所需的系繩側偏角；
[0011] 步驟五基于"繩-帆子系統"模型用反饋線性化方法設計跟蹤系繩側偏角所需的 氣動帆偏航角；
[0012] 步驟六基于"帆-舵子系統"模型用滑模控制方法設計跟蹤氣動帆偏航角所需的 方向舵偏角；
[0013] 步驟七選取相應子系統的控制器參數使得"繩-帆子系統"的響應速度快于 "球-繩子系統"，而"帆-舵子系統"的響應速度快于"繩-帆子系統"。
[0014] 其中，在步驟一中所述的"選取控制模型，這里采用一種平流層衛星六自由度動力 學模型"，其中六個自由度包括氣球系繩點的經度、煒度和高度，系繩的傾角和側偏角以及 氣動帆的偏航角。
[0015] 其中，在步驟二中所述的"分析模型參數不確定性，其中主要考慮慣性參數和氣動 參數的不確定性"，所涉及的慣性參數有氣球附加慣性質量和氣動帆的轉動慣量，氣動參數 有氣球阻力系數、氣球等效面積、氣動帆氣動中心和方向舵氣動中心。
[0016] 其中，在步驟三中所述的"從六自由度動力學模型中分別提取出'球-繩子系統'、 '繩-帆子系統'和'帆-舵子系統'模型"，其提取方法是："球-繩子系統"模型根據氣球 和系繩的受力分析得到；"繩-帆子系統"模型由六自由度動力學模型的第五行簡化而來， "帆-舵子系統"模型則為六自由度動力學模型的第六行。
[0017] 其中，在步驟四中所述的"基于'球-繩子系統'模型用自適應控制方法設計跟蹤 平流層衛星經向期望軌跡所需的系繩側偏角"，控制律中所涉平流層衛星經向期望軌跡為 基于反正切函數設計的一條由經度偏移位置緩慢變化到預定煒度軌道位置的曲線。
[0018] 其中，在步驟五中所述的"基于'繩-帆子系統'模型用反饋線性化方法設計跟蹤 系繩側偏角所需的氣動帆偏航角"，反饋控制律中所涉期望系繩側偏角的一階和二階導數 通過構造二階濾波器獲得。
[0019] 其中，在步驟六中所述的"基于'帆-舵子系統'模型用滑模控制方法設計跟蹤氣 動帆偏航角所需的方向舵偏角"，控制律中所涉期望氣動帆偏航角的一階和二階導數通過 構造另一二階濾波器獲得。
[0020] (3)優點及效果：
[0021] 與現有技術相比，本發明的優點和效果是：
[0022] 考慮了平流層衛星六自由度動力學模型中含參數不確定性的經向偏移控制方法， 克服了依賴精確模型設計平流層衛星經向偏移控制律的困難，更接近于實用，具體表現 在：
[0023] ①在"球-繩子系統"的閉環控制系統設計中采用了自適應控制方法，可在氣球慣 性參數和氣動參數不確定時實現有效的高精度控制；
[0024] ②在"帆