一種衛星姿態模糊控制器參數優化方法技術

本發明專利技術涉及一種衛星姿態模糊控制器參數優化方法，屬于航天控制技術領域，在衛星姿態參考坐標系下建立含有磁懸浮飛輪群的衛星動力學和運動學模型，基于磁懸浮飛輪群的航天器動力學模型設計姿態模糊控制器，引入改進的粒子群優化算法對所設計的姿態模糊控制器進行控制參數優化設計。本發明專利技術可以適用于衛星姿態模糊控制系統中，不僅提高模糊控制器設計效率，而且提高衛星姿態控制精度和穩定度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于衛星控制技術研究領域。特別涉及一種基于衛星姿態模糊控制器參數優化方法。
技術介紹
隨著衛星技術的發展，現代衛星平臺結構龐大復雜，系統的不確定性很強，而衛星姿態控制精度和穩定度要求更高。傳統的姿態控制方法日益無法滿足現代衛星平臺所能達到的指標要求，因此以模糊控制為首的智能控制方法越來越得到重視和發展。智能控制基本不依賴控制對象的模型，并且具有自我學習的能力，因此具有很好的魯棒性和自適應能力，對于處理衛星平臺系統的模型不確定性和非線性性具有優勢。模糊控制器因其清晰明了的語言性描述和優越的控制性能在最近20年得到很大關注，但是由于模糊控制器的隸屬度函數和模糊規則設定的復雜性，使得模糊控制器的優化設計一直是研究人員致力研究的問題。在衛星姿態模糊控制器設計中，一般采用手動試湊方式進行模糊隸屬度函數和模糊規則的設計。這種手動試湊的方法效率極低，并且模糊控制器無法對控制對象的變化作出自我調整，自適應能力和魯棒性都較差。為了簡化模糊控制器的設計工作，一系列參數優化方法被用于模糊控制器的設計，如模擬退火算法，粒子群優化算法等等。模擬退火算法是受退火這一物理過程啟發而來，模擬退火算法的中心思想是將目標優化問題比擬成金屬物體，隨著溫度的逐漸降低，不斷求取目標函數的值，并依據Metropolis準則獲得能量最小的理想狀態，從而描述這樣一個全局最佳尋優過程。粒子群優化算法是跟蹤每個粒子拓撲鄰居中的最佳位置，對粒子的速度和位置進行更新，使得粒子趨于分簇，并最終獲得粒子個體的最優位置和全局最優解。目前對衛星姿態模糊控制器的優化設計方法存在如下問題(1)單獨使用模擬退火算法進行衛星姿態模糊控制器設計時，模擬退火算法難以承擔模糊控制器較大的計算量，優化設計過程效率低；(2)單獨使用粒子群優化算法進行衛星姿態模糊控制器設計時，粒子群優化算法的位置和速度的更新公式容易導致優化進程過早收斂，使得算法進程陷入局部最優；(3)粒子群優化算法與其他優化算法相結合已經得到很多關注，但是這些算法僅僅是對于粒子群優化算法的位置和速度更新規則的改進，并沒有對粒子的操作提出改革性的舉措，對于解決大規模復雜問題時，不僅速度極慢，而且很難收斂。
技術實現思路
本專利技術需要解決的技術問題是克服現有衛星姿態模糊控制器設計方法的不足，提供，采用基于改進的粒子群優化算法對基于磁懸浮飛輪群的衛星姿態模糊控制器進行設計，實現衛星高精度和高穩定度姿態控制。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案為，其特點在于建立基于磁懸浮飛輪群的衛星姿態動力學和運動學模型，基于動力學和運動學模型，建立衛星姿態模糊控制器，進一步引入改進的粒子群優化算法對姿態模糊控制器進行參數優化設計，實現衛星姿態的高精度和高穩定度控制。具體包括以下步驟1、建立衛星載體固連坐標系和單個磁懸浮飛輪固連坐標系；建立衛星載體固連坐標系(xb, yb, Zb),坐標系原點位于載體質量中心,衛星固定有三個磁懸浮飛輪，以正交形式安裝；建立第j(j = 1,2, 3)個磁懸浮飛輪固連坐標系(xwaJ, yw0J, zwsj),其中Zwsj表示第j個磁懸浮飛輪自轉軸方向單位向量,Xwaj和yw0j分別表示第j個磁懸浮飛輪徑向軸方向單位向量；2、基于步驟I建立磁懸浮飛輪群角動量模型；自轉軸平行于Zb軸的磁懸浮飛輪W1相對于衛星載體固連坐標系的角動量為本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種衛星姿態模糊控制器參數優化方法，其特征在于：在衛星姿態參考坐標系下建立基于磁懸浮飛輪群的衛星姿態動力學和運動學模型，基于此模型設計衛星姿態模糊控制器，采用改進的粒子群優化算法對姿態模糊控制器進行優化設計；具體包括以下步驟：①建立衛星載體固連坐標系和單個磁懸浮飛輪固連坐標系；建立衛星載體固連坐標系(xb,yb,zb)，坐標系原點位于載體質量中心，衛星固定有三個磁懸浮飛輪，以正交形式安裝；建立第j(j＝1,2,3)個磁懸浮飛輪固連坐標系(xwαj,ywβj,zwsj)，其中zwsj表示第j個磁懸浮飛輪自轉軸方向單位向量，xwαj和ywβj表示第j個磁懸浮飛輪徑向軸方向單位向量；②基于步驟①建立磁懸浮飛輪群角動量模型；hw1=Iws1Ω1β1-α11---(1)hw2=Iws2Ω21β2-α2---(2)hw3=Iws3Ω3-α31αβ3---(3)其中，hw1為自轉軸平行于zb軸的磁懸浮飛輪w1的角動量，hw2為自轉軸平行于xb軸的磁懸浮飛輪w2的角動量，hw3為自轉軸平行于yb軸的磁懸浮飛輪w3的角動量；Iws1為磁懸浮飛輪w1自轉軸方向轉動慣量，Iws2為磁懸浮飛輪w2自轉軸方向轉動慣量，Iws3為磁懸浮飛輪w3自轉軸方向轉動慣量；Ω1為磁懸浮飛輪w1自轉角速度，Ω2為磁懸浮飛輪w2自轉角速度，Ω3為磁懸浮飛輪w3自轉角速度；α1和β1為磁懸浮飛輪w1轉子徑向偏移量，α2和β2為磁懸浮飛輪w2轉子徑向偏移 量，α3和β3為磁懸浮飛輪w3轉子徑向偏移量；采用相同的磁懸浮飛輪，有Iws1=Iws2=Iws3=Iws；③基于步驟①和步驟②建立衛星總的角動量模型；h=J1ω1+IwsΩ1β1+IwsΩ2-IwsΩ3α3J2ω2-IwsΩ1α1+IwsΩ2β2+IwsΩ3J3ω3+IwsΩ1-IwsΩ2α2+IwsΩ3β3---(4)其中，J1，J2和J3為衛星三軸轉動慣量；ω1，ω2和ω3為衛星三軸姿態角速度；④基于步驟①?步驟③建立基于磁懸浮飛輪群的衛星動力學模型；h·+[ω×]h=τe---(5)其中，τe為外部干擾力矩，ω＝(ω1,ω2,ω3)T為衛星姿態角速度向量，[ω×]為：[ω×]=0-ω3ω2ω30-ω1-ω2ω10---(6)為衛星總的角動量的微分，h·=J1ω·1+IwsΩ·1β1+IwsΩ1β·1+IwsΩ·2-IwsΩ·3α3-IwsΩ3α·3J2ω·2-IwsΩ·1α1-IwsΩ1α·1+IwsΩ·2β2+IwsΩ2β·2+IwsΩ·3J3ω·3+IwsΩ·1-IwsΩ·2α2-IwsΩ2α·2+IwsΩ·3β3+IwsΩ3β·3---(7)其中，和為衛星三軸姿態角速度的微分；和分別為磁懸浮飛輪w1，w2和w3自轉角速度的微分；和為磁懸浮飛輪w1轉子徑向偏移量的微分；和為磁懸浮飛輪w2轉子徑向偏移量的微分；和為磁懸浮飛輪w3轉子徑向偏移量的微分；⑤基于步驟①建立衛星姿態運動學模型；ω=R(θ)θ·-ωc(θ)---(8)其中，θ＝(θ1,θ2,θ3)...

【技術特征摘要】
1.一種衛星姿態模糊控制器參數優化方法，其特征在于在衛星姿態參考坐標系下建立基于磁懸浮飛輪群的衛星姿態動力學和運動學模型，基于此模型設計衛星姿態模糊控制器，采用改進的粒子群優化算法對姿態模糊控制器進行優化設計；具體包括以下步驟①建立衛星載體固連坐標系和單個磁懸浮飛輪固連坐標系；建立衛星載體固連坐標系(xb，yb，zb)，坐標系原點位于載體質量中心，衛星固定有三個磁懸浮飛輪，以正交形式安裝；建立第j(j = 1,2, 3)個磁懸浮飛輪固連坐標系(xWaj, yw0J, zwsj),其中Zwsj表示第j個磁懸浮飛輪自轉軸方向單位向量,xwaJ和ywfij表示第j個磁懸浮飛輪徑向軸方向單位向量；②基于步驟①建立磁懸浮飛輪群角動量模型；2.根據權利要求1所述的一種衛星姿態模糊控制器參數優化方法，其...

【專利技術屬性】
技術研發人員：房建成，彭聰，崔培玲，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：