基于预测控制方法的姿控发动机开关控制律的设计new

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1、http://www.paper.edu.cn1基于预测控制方法的姿控发动机开关控制律的设计贺风华，杨宝庆，姚郁哈尔滨工业大学控制与仿真中心，哈尔滨(150080)E-mail：hefenghua@hit.edu.cn摘要：以大气层外飞行器姿态控制为背景，研究了姿控发动机开关控制律的设计问题。根据开关控制量的特点，应用预测控制理论设计了对干扰具有鲁棒性的姿态控制律，并通过输出等效的方法得到了发动机的开关控制律。考虑到发动机存在最小工作时间的限制，对控制律进行了修改，得到了更加实用的开关控制律。将设计结果应用到滚转通道的控制中，仿真结果表明，即

2、使干扰力矩达到发动机控制力矩的10%，仍然能够满足姿态控制精度的要求，验证了文中提出方法的有效性。关键词：姿态控制,模型预测控制,控制受限中图分类号：TJ765;TN713;1.引言大气层外飞行器执行特定任务时往往需要进行姿态机动，由于大气层外空气稀薄，空气动力可以忽略不计，飞行器一般采用常值脉冲发动机作为执行机构。文献[1]以空间拦截器的姿态控制为背景，介绍了一种对系统参数摄动和外在不确定性干扰具有鲁棒性的变结构控制律，并且研究了在控制量幅值受限的情况下变结构控制律的设计问题，提出了基于姿态角双包络线概念的姿态控制方法。文献[2]通过相轨迹

3、分析得到了发动机正向和反向开机曲线，并证明发动机只需要开关两次就能使系统从初始状态转移到期望点，但这只适用于理想情况，如果存在噪声和干扰，则这种方法将丧失快速性，而且有可能不稳定。文献[3]针对空间拦截器大角度机动问题，提出了姿态组合控制方法，即首先设计一个变结构控制器，以克服系统中存在的干扰，当系统状态到达滑模面附近，则切换到PD控制器，这样避免了在滑模面上引起的控制量频繁切换。按照这种方法设计的控制律幅值仍然是连续的，作者考虑了发动机的三种工作方式，即全开工作方式、梯形脉冲工作方式、三角形脉冲工作方式，根据求得的控制量的大小和冲量等效原理

4、可以确定发动机的工作方式，从而实现开关量和连续量近似相同的控制效果。文献[4]针对带有姿控发动机的非线性空间飞行器系统，首先设计了幅值连续的解耦滑模控制器，然后通过Bang-Bang调制的方法，得到了发动机的开关机指令,这种方法的缺点是，通过Bang-Bang调制后得到的开关控制律和调制前控制律的控制效果相差太大。文献[5]针对卫星姿态控制问题，提出了一种模糊-神经网络Bang-Bang控制方法，该方法以模糊逻辑控制器作为主要的Bang-Bang控制器，而神经网络主要起辅助作用，以解决模糊控制器的成员函数对初始姿态角的依赖。文献[6]以卫星姿

5、态控制为背景，提出了一种基于显式模型预测控制(eMPC)的姿态控制方法，文中以线性化后的卫星模型作为控制对象，并选取适当的指标函数，通过求解多参数二次规划得到了显式的姿态控制律，并通过1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20020004020）的资助。-1-http://www.paper.edu.cnBang-Bang调制的方法得到了开关形式的控制律。文献[7]、[8]也采用类似的方法对控制量是开关量的控制系统设计方法进行了研究。从现有的文献来看，直接设计发动机的开关控制律很难保证鲁棒性，而调制方法从连续量到开关量的转换使

6、系统的性能损失严重。实际上，大气层外飞行器姿态控制难点主要体现在两点，一是控制量是开关形式的，这使得大多数控制方法无法直接应用，另一点是姿态控制中存在较大的干扰力矩。因此，如何设计对干扰具有鲁棒性的开关控制律是主要问题。对于线性系统而言，如果控制量是开关形式的，已经有很好的理论结果，如时间最优控制、燃料最优控制、时间--燃料最优控制等[11]，但这些结果都是考虑理想的线性模型，不适合含有干扰的情况。根据鲁棒控制理论，当系统存在噪声或干扰情况下，为了达到相应的鲁棒稳定性和鲁棒性能，往往需要设计一个幅值连续的控制律，而对于控制量是开关形式的系统，

7、直接设计具有鲁棒性的开关控制律则非常困难。本文通过对控制量是开关量的系统进行分析表明，如果控制受限量总小于或等于开关量，则可以通过调整开关量的作用时间，使两者实现相同的控制效果。本文基于这点分析，首先，提出了分步设计的思想，即先设计控制受限的鲁棒控制律，再设计发动机的开关控制律；其次，应用模型预测控制方法设计了具有鲁棒性的姿态控制律，并通过输出等效的方法得到了发动机的开关控制律；再次，考虑了发动机的最小工作时间限制，对控制律进行了适当的修改，得到了更加实用的控制律；最后，通过仿真验证了方法的有效性。2.鲁棒模型预测姿态控制律的设计飞行器姿态运

8、动的方程为⎧JJωω"+−()Jω=+udxxzyyzxx⎪JJωω"+−()Jω=+ud⎪yyxzxzyy⎪JJωω"+−()Jω=+udzzyxxyzz⎪⎪⎨=