一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法

1.本发明涉及卫星控制领域，尤其涉及一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法。


背景技术：

2.绳系卫星通常由一个主星和一个子星(载荷)通过系绳连接组成。由于存在非线性扰动，系绳在载荷回收过程中容易发生摆动，这会导致系绳在回收过程中松弛或缠绕在主星上。因此，载荷的回收稳定控制是必须解决的问题。速度控制对摆角的抑制效果良好，但由于张力主要取决于回收加速度，其阶数高于控制输入，故很难直接限制系绳张力。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法，依靠纯速率调节，可实现绳系卫星载荷回收的快速稳定控制以及系绳张力的直接观测和调控。
4.本发明所采用的第一技术方案是：一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法，包括以下步骤：
5.基于拉格朗日方法构建两体绳系卫星系统动力学模型；
6.基于两体绳系卫星系统动力学模型，根据系统稳定性假设得到系绳稳定回收速率；
7.基于系绳稳定回收速率和神经动力学控制方法，计算绳系张力。
8.进一步，所述两体绳系卫星系统动力学模型的表达式如下：
[0009][0010]
上式中，l表示绳长，ω表示主卫星轨道角速度，θ表示子卫星摆动角，me表示等效质量，t表示系绳张力，表示子卫星摆动角速度，表示子卫星摆动的角加速度，表示绳长变化率，表示系绳释放/回收的加速度。
[0011]
进一步，所述系绳稳定回收速率的表达式如下：
[0012][0013]
上式中，θe表示目标摆角，表示绳稳定回收速率。
[0014]
进一步，所述基于系绳稳定回收速率和神经动力学控制方法，计算绳系张力这一步骤，其具体包括：
[0015]
构建虚拟控制输入信号对时间导数；
[0016]
构建实际控制输入信号；
[0017]
以实际控制输入信号作为修正速率，对系绳稳定回收速率进行修正，得到系绳实际速率；
[0018]
根据系绳实际速率和两体绳系卫星系统动力学模型，计算系绳张力。
[0019]
进一步，所述基于系绳稳定回收速率和神经动力学控制方法，计算绳系张力这一步骤，还包括：
[0020]
当判断系统状态与目标状态存在误差时，将实际的摆角和系绳回收速率代入神经动力学控制器，得到虚拟控制信号；
[0021]
将虚拟控制信号代入速度控制器，得到实际控制信号；
[0022]
判断实际控制信号是否超出可用取值区间；
[0023]
若实际控制信号不超出可用取值区间，将实际控制信号输入使用；
[0024]
若实际控制信号超出可用取值区间，将区间边界值作为实际控制信号输入使用。
[0025]
该优选步骤用于获取实际控制输入信号。
[0026]
进一步，所述实际控制输入信号的表达式如下：
[0027][0028]
上式中，u表示虚拟控制信号
[0029]
进一步，所述系绳张力的表达式如下：
[0030][0031][0032][0033]
本发明方法的有益效果是：本发明的控制方法节能有效且实施简单，可直接对系绳张力进行调控，在使用过程中，可自主调节控制参数，调节控制输入的大小，改变最大收敛时间，这些增加了该发明的灵活性和实用性。
附图说明
[0034]
图1是本发明一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法的步骤流程图；
[0035]
图2是本发明具体实施例绳系卫星系统结构示意图；
[0036]
图3是本发明具体实施例稳定控制过程中的摆角变化曲线以及实际控制输入变化曲线图；
[0037]
图4是本发明具体实施例稳定控制过程中的虚拟控制输入变化曲线图；
[0038]
图5是本发明具体实施例定控制过程中的张力变化曲线图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的
步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0040]
如图1所示，本发明提供了一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法，该方法包括以下步骤：
[0041]
s1、基于拉格朗日方法构建两体绳系卫星系统动力学模型；
[0042]
建模坐标系为动坐标系oxyz，以系统质心作为动坐标系的原点，y轴由系统质心指向地球中心；x轴位于轨道平面内，指向系统质心的轨道运动方向；z轴满足右手坐标系，垂直于xoy平面，建模示意图参照图2；
[0043]
所述两体绳系卫星系统动力学模型的表达式如下：
[0044][0045]
上式中，l表示绳长，ω表示主卫星轨道角速度，θ表示子卫星摆动角，me表示等效质量，t表示系绳张力。
[0046]
s2、基于两体绳系卫星系统动力学模型，根据系统稳定性假设得到系绳稳定回收速率；
[0047]
所述系绳稳定回收速率的表达式如下：
[0048][0049]
l表示绳长；ω表示主卫星轨道角速度；θe表示目标摆角，其中，目标摆角θe可自行设定。
[0050]
s3、基于系绳稳定回收速率和神经动力学控制方法，计算绳系张力。
[0051]
当判断系统状态与目标状态存在误差时，利用神经动力学控制器调整虚拟控制输入。
[0052]
s3.1、将实际的摆角和系绳回收速率带入神经动力学控制器得出虚拟控制信号；
[0053]
s3.2、再代入速度控制器得出实际控制信号，判断控制信号是否超出可用取值区间[u
min
,u
max
]，若不超出，则所得到的控制器控制信号直接输入系统使用；否则，将区间边界值作为控制输入使用。
[0054]
虚拟控制输入信号u对时间导数的表达式如下：
[0055][0056]
其中
[0057][0058]
其中γ(t)＝(t+ξ)-p
+q，p》0，q》0，t为时间，ξ为正小量，可设置为0.01；
[0059][0060]
其中，k1》0，k2》0，k3》0，0《r《1；
[0061]
实际控制输入信号u表达式如下：
[0062][0063]
将u作为修正速率，对系绳稳定回收速率修正得出实际系绳速率其表达式为：
[0064][0065]
基于系绳实际速率可得出张力t，其表达式为：
[0066][0067]
下面通过具体仿真试验对本发明的技术方案进一步陈述。
[0068]
系统参数集初始参数的设置如下表：
[0069]
表1
[0070][0071]
[0072]
如图3和图4所示，仿真试验中包含两个实施例，分别为case 1：和case 2：由于受到初始扰动，系统状态与目标状态发生偏移；在1200秒时摆角收敛至目标状态，之后至回收结束一直保持稳定，实际控制输入也收敛至0，如图3。在张力限制作用下，实际控制输入曲线平滑，张力曲线也未超出边界(0≤t≤200n)，如图3和图5。
[0073]
一种消除绳系卫星面内摆动的控制系统，包括：
[0074]
动力学模型构建模块，基于拉格朗日方法构建两体绳系卫星系统动力学模型；
[0075]
稳定计算模块，基于两体绳系卫星系统动力学模型，根据系统稳定性假设得到系绳稳定回收速率；
[0076]
绳系张力计算模块，基于系绳稳定回收速率和神经动力学控制方法，计算绳系张力。
[0077]
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
[0078]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：基于拉格朗日方法构建两体绳系卫星系统动力学模型；基于两体绳系卫星系统动力学模型，根据系统稳定性假设得到系绳稳定回收速率；基于系绳稳定回收速率和神经动力学控制方法，计算绳系张力。2.根据权利要求1所述一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法，其特征在于，所述两体绳系卫星系统动力学模型的表达式如下：上式中，l表示绳长，ω表示主卫星轨道角速度，θ表示子卫星摆动角，m
e
表示等效质量，t表示系绳张力，表示子卫星摆动角速度，表示子卫星摆动的角加速度，表示绳长变化率，表示系绳释放/回收的加速度。3.根据权利要求2所述一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法，其特征在于，所述系绳稳定回收速率的表达式如下：上式中，θ
e
表示目标摆角，表示绳稳定回收速率。4.根据权利要求3所述一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法，其特征在于，所述基于系绳稳定回收速率和神经动力学控制方法，计算绳系张力这一步骤，其具体包括：构建虚拟控制输入信号对时间导数；构建实际控制输入信号；以实际控制输入信号作为修正速率，对系绳稳定回收速率进行修正，得到系绳实际速率；根据系绳实际速率和两体绳系卫星系统动力学模型，计算系绳张力。5.根据权利要求4所述一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法，其特征在于，所述基于系绳稳定回收速率和神经动力学控制方法，计算绳系张力这一步骤，还包括：当判断系统状态与目标状态存在误差时，将实际的摆角和系绳回收速率代入神经动力学控制器，得到虚拟控制信号；将虚拟控制信号代入速度控制器，得到实际控制信号；判断实际控制信号是否超出可用取值区间；若实际控制信号不超出可用取值区间，将实际控制信号输入使用；若实际控制信号超出可用取值区间，将区间边界值作为实际控制信号输入使用。6.根据权利要求5所述一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法，其特征在于，所述实际控制输入信号的表达式如下：
上式中，u表示虚拟控制信号，u表示实际控制输入信号。7.根据权利要求5所述一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法，其特征在于，所述系绳张力的表达式如下：上式中，t表示系绳张力。

技术总结
本发明公开了一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法，该方法包括：基于拉格朗日方法构建两体绳系卫星系统动力学模型；基于两体绳系卫星系统动力学模型，根据系统稳定性假设得到系绳稳定回收速率；基于系绳稳定回收速率和神经动力学控制方法，计算绳系张力。本发明的控制方法完全使用电能，可直接对系绳回收速度进行调控，控制效率高，实时简单，并可对系绳张力进行有效限制。本发明作为一种消除绳系卫星面内摆动的控制方法，可广泛应用于卫星控制领域。域。域。


技术研发人员：史格非 纪志雄
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/4/25