卫星姿态抗饱和控制方法、装置、电子设备及存储介质与流程

1.本发明实施例涉及航天器姿态控制技术领域，特别涉及一种卫星姿态抗饱和控制方法、装置、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.实际控制系统中，控制器大多是通过执行器来驱动被控对象的，而执行器作为物理系统，它的输出量幅值和输出量变化速率存在一定限度，也就是执行器的响应幅值和响应速率总是存在着约束。航天器技术的发展和航天任务复杂度的提高对控制能力提出了更高的要求，然而航天器姿态控制中执行器所能输出的控制力矩存在一定限制，也就是存在饱和非线性。如果设计控制器不考虑执行器存在的饱和非线性，当执行器发生饱和时，控制器的输出和被控对象的输入值不相等，可能会导致航天器姿态控制精度变差或闭环系统不稳定。
3.常见的基于线性矩阵不等式的直接抗饱和设计方法处理幅值和速率饱和问题时，要求控制器是线性的，同时求解抗饱和补偿增益时的线性矩阵不等条件复杂，计算量较大。目前尚未有针对被控对象为非线性系统的控制。
4.可见，亟需提供一种用于处理非线性系统的抗饱和控制方式。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种卫星姿态抗饱和控制方法、装置、电子设备及存储介质，考虑了执行器存在饱和非线性情况，能够在执行器发生饱和时，控制器的输出和被控对象的输入尽可能相等，提高卫星姿态控制精度以及闭环系统的稳定性。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种卫星姿态抗饱和控制方法，包括：
7.基于卫星的被控对象模型，建立用于作为系统控制输入未受限时的标称控制器；
8.建立存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型；
9.利用所述被控对象模型、所述标称控制器和所述执行器模型，建立并求解抗饱和补偿器；
10.利用抗饱和闭环系统对卫星姿态进行抗饱和控制；所述抗饱和闭环系统包括：所述被控对象模型、所述标称控制器、所述执行器模型和所述抗饱和补偿器。
11.第二方面，本发明实施例还提供了一种卫星姿态抗饱和控制装置，包括：
12.控制器建立单元，用于基于卫星的被控对象模型，建立用于作为系统控制输入未受限时的标称控制器；
13.执行器建立单元，用于建立存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型；
14.补偿器建立单元，用于利用所述被控对象模型、所述标称控制器和所述执行器模型，建立并求解抗饱和补偿器；
15.控制单元，用于利用抗饱和闭环系统对卫星姿态进行抗饱和控制；所述抗饱和闭环系统包括：所述被控对象模型、所述标称控制器、所述执行器模型和所述抗饱和补偿器。
16.第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本说明书任一实施例所述的方法。
17.第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行本说明书任一实施例所述的方法。
18.本发明实施例提供了一种卫星姿态抗饱和控制方法、装置、电子设备及存储介质，通过建立存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型，并增加抗饱和补偿设计，形成用于对卫星姿态进行抗饱和控制的抗饱和闭环系统，在执行器发生饱和时，由抗饱和补偿器对输入进行补偿，使得控制器的输出和被控对象的输入尽可能相等，从而可以提高卫星姿态控制精度以及闭环系统的稳定性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明一实施例提供的一种卫星姿态抗饱和控制方法流程图；
21.图2是本发明一实施例提供的一种抗饱和闭环系统的框图；
22.图3是本发明一实施例提供的不受限系统的幅值速率饱和的系统输出响应示意图；
23.图4是本发明一实施例提供的加入抗饱和补偿器后闭环系统输出响应示意图；
24.图5是本发明一实施例提供的不受限系统和mraw幅值速率抗饱和系统控制输入的对比示意图；
25.图6是本发明一实施例提供的不受限系统和mraw幅值速率抗饱和系统控制输入变化率的对比示意图；
26.图7是本发明一实施例提供的一种电子设备的硬件架构图；
27.图8是本发明一实施例提供的一种卫星姿态抗饱和控制装置结构图。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.请参考图1，本发明实施例提供了一种卫星姿态抗饱和控制方法，该方法包括：
30.步骤100，基于卫星的被控对象模型，建立用于作为系统控制输入未受限时的标称控制器；
31.步骤102，建立存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型；
32.步骤104，利用所述被控对象模型、所述标称控制器和所述执行器模型，建立并求
解抗饱和补偿器；
33.步骤106，利用抗饱和闭环系统对卫星姿态进行抗饱和控制；所述抗饱和闭环系统包括：所述被控对象模型、所述标称控制器、所述执行器模型和所述抗饱和补偿器。
34.本发明实施例中，通过建立存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型，并增加抗饱和补偿设计，形成用于对卫星姿态进行抗饱和控制的抗饱和闭环系统，在执行器发生饱和时，由抗饱和补偿器对输入进行补偿，使得控制器的输出和被控对象的输入尽可能相等，从而可以提高卫星姿态控制精度以及闭环系统的稳定性。
35.下面描述图1所示的各个步骤的执行方式。
36.首先，针对步骤100，基于卫星的被控对象模型，建立用于作为系统控制输入未受限时的标称控制器。
37.本发明实施例中，以挠性卫星俯仰轴作为被控对象为例，则卫星的被控对象模型可以是如下挠性卫星俯仰轴动力学的简化模型：
[0038][0039][0040]
其中，j为卫星转动惯量，ω为俯仰角速度，t为控制力矩，g＝[g
1 g2]
t
，gi为挠性卫星的第i阶模态与卫星俯仰运动的耦合系数，q＝[q
1 q2]
t
为模态坐标，λ＝diag(λ
1 λ2)为约束模态频率，qi、λi分别为挠性卫星的第i阶模态的模态变量和约束模态频率，i＝1,2。
[0041]
具体地，本步骤100中建立标称控制器的方式可以包括如下步骤1001和步骤1002：
[0042]
1001：将卫星的被控对象模型利用二阶差分方程进行表示，得到所述被控对象模型的特征模型；
[0043]
本步骤1001中，可以将上述挠性卫星俯仰轴动力学的简化模型利用如下形式的二阶差分方程表示，得到被控对象模型的特征模型：
[0044]
y(k+1)＝f1(k)y(k)+f2(k)y(k-1)+g0(k)u(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0045]
其中，y(k+1)为特征模型输出特征变量；y(k)，y(k-1)是系统输出特征变量，也是系统实际输出变量；u(k)为k时刻的系统输入控制特征变量，也是实际对象输入控制变量；f1(k)、f2(k)和g0(k)为特征模型的特征参量，其范围可预先确定，并且在已知闭凸集内。
[0046]
1002：对二阶差分方程表示的特征模型设计自适应黄金分割控制器，将所述自适应黄金分割控制器作为系统控制输入未受限时的标称控制器。
[0047]
利用上述公式(3)所示二阶差分方程表示的特征模型，可以设计如下自适应黄金分割控制器，用于作为系统控制输入未受限时的标称控制器，可以保证闭环系统稳定并满足性能要求：
[0048][0049]
其中，u(k)为k时刻的系统输入控制特征变量，l1＝0.382，l2＝0.618e(k)＝y(k)-yr(k)，y(k)为系统输出特征变量，yr(k)为参考输入，(k)为参考输入，和是参数辨识
得到的特征模型的特征参量。
[0050]
需要说明的是，特征模型的特征参量可以通过现有的多种参数辨识方式来实现，优选地，可以通过如下梯度投影算法进行参数辨识：
[0051][0052]
其中，θ(k)＝[f1(k) f2(k) g0(k)]
t
是特征模型参数向量，是k时刻特征模型参数向量θ(k)的估计值，φ(k)＝[y(k) y(k-1) u(k)]
t
是数据向量，λ1＞0、λ2＞0为可调参数，π{
·
}表示在已知闭凸集上作正交投影。
[0053]
然后针对步骤102，建立存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型。
[0054]
本发明实施例中，可以基于特征建模的模型恢复抗饱和(model recovery anti-windup,mraw)控制方法，建立存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型。在mraw控制方法中，需要合适的模型来表征幅值和速率饱和特征，也就是需要引入可以被视为小信号辨识器的速率幅值饱和方程。存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型可以用(6)式来描述：
[0055]
u(k+1)＝u(k)+satr(satm(uc(k))-u(k))
[0056]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0057]
其中，u(k)为k时刻的系统输入控制特征变量；uc(k)为所述标称控制器的输出量；其中，其中，m、r分别为幅值上限和速率上限。
[0058]
接下来针对步骤104，利用所述被控对象模型、所述标称控制器和所述执行器模型，建立并求解抗饱和补偿器。
[0059]
具体地，本步骤104可以通过如下方式实现：
[0060]
步骤1041：将二阶差分方程表示的特征模型进行形式转化，得到状态空间形式的特征模型，并确定该状态空间形式的特征模型所对应的稳态特征模型；
[0061]
为便于后续设计分析，可以令则可将二阶差分方程表示的特征模型(式(3))形式转化为状态空间形式：
[0062][0063]
其中，
[0064]cp
＝[0 1]。
[0065]
根据抗饱和设计流程，首先设计不考虑控制输入饱和的基于特征模型的自适应黄金分割控制器，可以得到稳态时的特征模型。根据特征建模理论，在稳定情况下，被控对象的特征模型和实际被控对象在输出上是相等的。因而可以在mraw中使用稳态特征模型取代原被控对象来求解抗饱和补偿器，用线性mraw抗饱和方法实现高阶对象或者非线性对象的抗饱和设计。
[0066]
考虑跟踪控制的参考信号，根据式(7)可以得到如下稳态特征模型：
[0067][0068]
其中，
[0069]
c＝[01]；和均为固定值。
[0070]
步骤1042：利用所述稳态特征模型、所述标称控制器和所述执行器模型，建立待求解的抗饱和补偿器，使得所述抗饱和补偿器输出第一补偿和第二补偿，其中，所述第一补偿用于对所述被控对象模型的输出进行补偿，所述第二补偿用于对所述标称控制器的输出进行补偿；所述抗饱和补偿器存在约束条件。
[0071]
抗饱和补偿器是指不存在控制输入饱和约束的控制器角度看，设计的抗饱和补偿器恢复了不存在控制输入饱和的系统模型。根据抗饱和设计流程，首先设计的标称控制器在不存在控制输入饱和约束时，闭环系统输出可以很好地跟踪输入指令信号，也就是具有良好的动态输出响应性能。由此可以知道存在控制输入饱和约束的抗饱和闭环控制系统在有约束的情况下应该如何响应。通过完全复制被控对象模型，mraw抗饱和补偿器使饱和系统的闭环响应和未饱和系统闭环响应尽可能相同。抗饱和的设计目标是保证抗饱和系统和不受限系统的输出性能误差尽可能的小，并用l2范数来定量描述它。
[0072]
对抗饱和补偿器的设计可以归结为构造一个状态反馈控制器，可以使饱和系统的响应趋向于期望的响应。设计如下式(9)的抗饱和补偿器，用于补偿闭环系统发生饱和时的控制输入。抗饱和补偿器输出的第一补偿y
aw
的作用主要是来补偿被控对象的输出，以保证标称控制器正常工作；而抗饱和补偿器输出的第二补偿υ1则是尽可能恢复不受限系统正常的响应。
[0073][0074]
上式(9)存在如下约束条件：
[0075]
yc(k)＝y(k)-y
aw
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0076]
u(k)＝satm(δ(k))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0077]
其中，x
aw
(k)、z
aw
(k)分别为所述抗饱和补偿器的状态和所述抗饱和补偿器的输出性能；c＝[01]；和均为固定值；uc(k)为所述标称控制器的输出量；δ(k)为将所述标称控制器的输出量的差分与所述第二补偿υ1(k)共同满足速率饱和限制之后，再积分得到的新的状态；y
aw
(k)为所述第一补偿，用于对所述被控对象模型的输出进行补偿；yc(k)为所述被控对象模型输出与抗饱和补偿器输出之差；m为幅值上限。
[0078]
由于式(9)所示的抗饱和补偿器中υ1(k)是待设计的，因此需要对式(9)进行求解，以得到设计完成的抗饱和补偿器。
[0079]
步骤1043：基于系统控制输入受限和系统控制输入未受限时的系统状态轨迹相同的原则，求解得到所述抗饱和补偿器。
[0080]
请参考图2，为整个抗饱和闭环系统的框图，由图2可以看出，需要能够计算标称控制器输出量的差分，让该差分和抗饱和补偿器的输出第二补偿υ1共同满足速率饱和限制之后，再积分得到新的状态δ，该状态接下来再满足幅值饱和限制，这样的动态模型是满足要求的。这样抗饱和补偿器的输入包含两部分，由标称控制器的输出量和新增加的状态δ组成。若需要求取标称控制器输出量的差分，由于所设计的标称控制器是严格真的控制器，因此可直接进行求解。
[0081]
为了便于分析，定义δ
aw
(k)＝δ(k)-uc(k)，不受限的控制器状态和输出响应用带上标表示。
[0082]
分析系统x
p-x
aw
，由式(8)和式(9)可知：
[0083][0084]
因而，系统(12)和(4)的动态与系统(8)和(4)的动态相同，对于初始条件(x-x
aw
)(0)＝x(0)，前述两个系统状态轨迹相同，因此，基于系统控制输入受限和系统控制输入未受限时的系统状态轨迹相同的原则，可以得到如下关系：
[0085][0086][0087][0088]
分析式(13)，可知执行器发生饱和时，该式表述的系统刻画了没有发生饱和的理想系统的状态轨迹，用于指导应该恢复成怎样的控制状态。因而需要设计合适的υ1，来使z
aw
→
0，进而恢复理想输出。
[0089]
考虑由被控对象模型对应的稳态特征模型式(8)、自适应黄金分割控制器式(4)、执行器模型式(6)、待求解的抗饱和补偿器式(9)以及约束条件式(10)和式(11)组成的抗饱和闭环系统，抗饱和闭环系统的控制器状态和输出响应(xc,uc)与不受限的控制器状态和输出响应是相同的。并且当时，存在ρ＞0，和k类函数γ(
·
)使得下式(14)成立，并且对于初始条件和成立：
[0090][0091]
其中，k
aw
是下述系统(15)的一个镇定线性状态反馈：
[0092]
x
aw
(k+1)＝ax
aw
(k)+bδ
aw
(k)
[0093][0094]
因此，可以取如此抗饱和补偿器可以表示为：
[0095][0096]
最后针对步骤106，利用抗饱和闭环系统对卫星姿态进行抗饱和控制；所述抗饱和闭环系统包括：所述被控对象模型、所述标称控制器、所述执行器模型和所述抗饱和补偿器。
[0097]
本发明一个实施例中，利用抗饱和闭环系统对卫星姿态进行抗饱和控制时，抗饱和补偿器可以全程提供补偿，也可以利用如下方式进行补偿：
[0098]
当所述标称控制器的输出量未超过设定阈值时，所述抗饱和补偿器未输出补偿；
[0099]
当所述标称控制器的输出量超出所述设定阈值时，所述抗饱和补偿器输出补偿。
[0100]
也就是说，只有当执行器发生饱和时，抗饱和补偿器才提供补偿，以保证控制器的输出和被控对象的输入值尽可能相等，从而提高航天器姿态控制精度以及抗饱和闭环系统的稳定性。
[0101]
下面对存在控制力矩幅值和速率饱和约束的卫星姿态跟踪控制，设计抗饱和补偿器进行数值仿真。
[0102]
请参考图3，为不受限系统的幅值速率饱和的系统输出响应示意图，当执行器同时存在幅值和速率饱和时，幅值限制m＝1，速率限制r＝100，从图3可以看到控制性能变差，调整阶段难以实现对参考信号的跟踪。
[0103]
加入式(16)所示的抗饱和补偿器，此时闭环系统输出如图4所示，可以看到加入抗饱和补偿器的闭环系统又重新恢复了对参考信号的跟踪。可以从图5和图6看到，加入抗饱和补偿器的闭环系统，在实现控制目标的同时，执行器的控制输出幅值变化和速率变化都在所要求的范围之内。
[0104]
如图7、图8所示，本发明实施例提供了一种卫星姿态抗饱和控制装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。从硬件层面而言，如图7所示，为本发明实施例提供的一种卫星姿态抗饱和控制装置所在电子设备的一种硬件架构图，除了图7所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的电子设备通常还可以包括其他硬件，如负责处理报文的转发芯片等等。以软件实现为例，如图8所示，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在电子设备的cpu将非易失性存储器中对应的计算机程序读取到内存中运行形成的。本实施例提供的一种卫星姿态抗饱和控制装置，包括：
[0105]
控制器建立单元801，用于基于卫星的被控对象模型，建立用于作为系统控制输入未受限时的标称控制器；
[0106]
执行器建立单元802，用于建立存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型；
[0107]
补偿器建立单元803，用于利用所述被控对象模型、所述标称控制器和所述执行器模型，建立并求解抗饱和补偿器；
[0108]
控制单元804，用于利用抗饱和闭环系统对卫星姿态进行抗饱和控制；所述抗饱和闭环系统包括：所述被控对象模型、所述标称控制器、所述执行器模型和所述抗饱和补偿器。
[0109]
本发明一个实施例中，所述控制器建立单元，具体用于：将卫星的被控对象模型利用二阶差分方程进行表示，得到所述被控对象模型的特征模型；对二阶差分方程表示的特征模型设计自适应黄金分割控制器，将所述自适应黄金分割控制器作为系统控制输入未受限时的标称控制器。
[0110]
本发明一个实施例中，所述自适应黄金分割控制器为：
[0111][0112]
其中，u(k)为k时刻的系统输入控制特征变量，l1＝0.382，l2＝0.618，e(k)＝y(k)-yr(k)，y(k)为系统输出特征变量，yr(k)为参考输入，(k)为参考输入，和是参数辨识得到的特征模型的特征参量。
[0113]
本发明一个实施例中，所述补偿器建立单元，具体用于：
[0114]
将二阶差分方程表示的特征模型进行形式转化，得到状态空间形式的特征模型，并确定该状态空间形式的特征模型所对应的稳态特征模型；
[0115]
利用所述稳态特征模型、所述标称控制器和所述执行器模型，建立待求解的抗饱和补偿器，使得所述抗饱和补偿器输出第一补偿和第二补偿，其中，所述第一补偿用于对所述被控对象模型的输出进行补偿，所述第二补偿用于对所述标称控制器的输出进行补偿；所述抗饱和补偿器存在约束条件；
[0116]
基于系统控制输入受限和系统控制输入未受限时的系统状态轨迹相同的原则，求解得到所述抗饱和补偿器。
[0117]
本发明一个实施例中，所述抗饱和补偿器为：
[0118]
[0119]
其中，x
aw
(k)、z
aw
(k)分别为所述抗饱和补偿器的状态和所述抗饱和补偿器的输出性能；c＝[0 1]，和均为固定值；uc(k)为所述标称控制器的输出量；δ(k)为将所述标称控制器的输出量的差分与所述第二补偿υ1(k)共同满足速率饱和限制之后，再积分得到的新的状态；y
aw
(k)为所述第一补偿，用于对所述被控对象模型的输出进行补偿；k
aw
为镇定线性状态反馈增益；
[0120]
所述抗饱和补偿器存在的约束条件为：
[0121]
yc(k)＝y(k)-y
aw
(k)
[0122]
u(k)＝satm(δ(k))
[0123][0124]
其中，yc(k)为所述被控对象模型输出与抗饱和补偿器输出之差；m为幅值上限。
[0125]
本发明一个实施例中，所述存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型为：
[0126]
u(k+1)＝u(k)+satr(satm(uc(k))-u(k))
[0127][0128][0129]
其中，u(k)为k时刻的系统输入控制特征变量；uc(k)为所述标称控制器的输出量；m、r分别为幅值上限和速率上限。
[0130]
本发明一个实施例中，所述控制单元，具体用于：利用抗饱和闭环系统对卫星姿态进行抗饱和控制，当所述标称控制器的输出量未超过设定阈值时，所述抗饱和补偿器未输出补偿；当所述标称控制器的输出量超出所述设定阈值时，所述抗饱和补偿器输出补偿。
[0131]
可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对一种卫星姿态抗饱和控制装置的具体限定。在本发明的另一些实施例中，一种卫星姿态抗饱和控制装置可以包括比图示更多或者更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件、软件或者软件和硬件的组合来实现。
[0132]
上述装置内的各模块之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
[0133]
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储
有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本发明任一实施例中的一种卫星姿态抗饱和控制方法。
[0134]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例中的一种卫星姿态抗饱和控制方法。
[0135]
具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机(或cpu或mpu)读出并执行存储在存储介质中的程序代码。
[0136]
在这种情况下，从存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此程序代码和存储程序代码的存储介质构成了本发明的一部分。
[0137]
用于提供程序代码的存储介质实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如cd-rom、cd-r、cd-rw、dvd-rom、dvd-ram、dvd-rw、dvd+rw)、磁带、非易失性存储卡和rom。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。
[0138]
此外，应该清楚的是，不仅可以通过执行计算机所读出的程序代码，而且可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作，从而实现上述实施例中任意一项实施例的功能。
[0139]
此外，可以理解的是，将由存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展模块中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展模块上的cpu等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施例中任一实施例的功能。
[0140]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
…”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
[0141]
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。
[0142]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种卫星姿态抗饱和控制方法，其特征在于，包括：基于卫星的被控对象模型，建立用于作为系统控制输入未受限时的标称控制器；建立存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型；利用所述被控对象模型、所述标称控制器和所述执行器模型，建立并求解抗饱和补偿器；利用抗饱和闭环系统对卫星姿态进行抗饱和控制；所述抗饱和闭环系统包括：所述被控对象模型、所述标称控制器、所述执行器模型和所述抗饱和补偿器。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于卫星的被控对象模型，建立用于作为系统控制输入未受限时的标称控制器，包括：将卫星的被控对象模型利用二阶差分方程进行表示，得到所述被控对象模型的特征模型；对二阶差分方程表示的特征模型设计自适应黄金分割控制器，将所述自适应黄金分割控制器作为系统控制输入未受限时的标称控制器。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述自适应黄金分割控制器为：其中，u(k)为k时刻的系统输入控制特征变量，l1＝0.382，l2＝0.618，e(k)＝y(k)-y
r
(k)，y(k)为系统输出特征变量，y
r
(k)为参考输入，(k)为参考输入，和是参数辨识得到的特征模型的特征参量。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用所述被控对象模型、所述标称控制器和所述执行器模型，建立并求解抗饱和补偿器，包括：将二阶差分方程表示的特征模型进行形式转化，得到状态空间形式的特征模型，并确定该状态空间形式的特征模型所对应的稳态特征模型；利用所述稳态特征模型、所述标称控制器和所述执行器模型，建立待求解的抗饱和补偿器，使得所述抗饱和补偿器输出第一补偿和第二补偿，其中，所述第一补偿用于对所述被控对象模型的输出进行补偿，所述第二补偿用于对所述标称控制器的输出进行补偿；所述抗饱和补偿器存在约束条件；基于系统控制输入受限和系统控制输入未受限时的系统状态轨迹相同的原则，求解得到所述抗饱和补偿器。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述抗饱和补偿器为：
其中，x
aw
(k)、z
aw
(k)分别为所述抗饱和补偿器的状态和所述抗饱和补偿器的输出性能；c＝[01]，和均为固定值；u
c
(k)为所述标称控制器的输出量；δ(k)为将所述标称控制器的输出量的差分与所述第二补偿υ1(k)共同满足速率饱和限制之后，再积分得到的新的状态；y
aw
(k)为所述第一补偿，用于对所述被控对象模型的输出进行补偿；k
aw
为镇定线性状态反馈增益；所述抗饱和补偿器存在的约束条件为：y
c
(k)＝y(k)-y
aw
(k)u(k)＝sat
m
(δ(k))其中，y
c
(k)为所述被控对象模型输出与抗饱和补偿器输出之差；m为幅值上限。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型为：u(k+1)＝u(k)+sat
r
(sat
m
(u
c
(k))-u(k))
其中，u(k)为k时刻的系统输入控制特征变量；u
c
(k)为所述标称控制器的输出量；m、r分别为幅值上限和速率上限。7.根据权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于，所述利用抗饱和闭环系统对卫星姿态进行抗饱和控制，包括：利用抗饱和闭环系统对卫星姿态进行抗饱和控制，当所述标称控制器的输出量未超过设定阈值时，所述抗饱和补偿器未输出补偿；当所述标称控制器的输出量超出所述设定阈值时，所述抗饱和补偿器输出补偿。8.一种卫星姿态抗饱和控制装置，其特征在于，包括：控制器建立单元，用于基于卫星的被控对象模型，建立用于作为系统控制输入未受限时的标称控制器；执行器建立单元，用于建立存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型；补偿器建立单元，用于利用所述被控对象模型、所述标称控制器和所述执行器模型，建立并求解抗饱和补偿器；控制单元，用于利用抗饱和闭环系统对卫星姿态进行抗饱和控制；所述抗饱和闭环系统包括：所述被控对象模型、所述标称控制器、所述执行器模型和所述抗饱和补偿器。9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行权利要求1-7中任一项所述的方法。

技术总结
本发明提供了一种卫星姿态抗饱和控制方法、装置、电子设备及存储介质，其中方法包括：基于卫星的被控对象模型，建立用于作为系统控制输入未受限时的标称控制器；建立存在幅值饱和和速率饱和的执行器模型；利用所述被控对象模型、所述标称控制器和所述执行器模型，建立并求解抗饱和补偿器；利用抗饱和闭环系统对卫星姿态进行抗饱和控制；所述抗饱和闭环系统包括：所述被控对象模型、所述标称控制器、所述执行器模型和所述抗饱和补偿器。本方案，当执行器发生饱和时，由抗饱和补偿器对输入进行补偿，使得控制器的输出和被控对象的输入尽可能相等，从而可以提高卫星姿态控制精度以及闭环系统的稳定性。系统的稳定性。系统的稳定性。


技术研发人员：郭瑞科 刘洁 张涛 杨南基 李毛毛 徐拴锋
受保护的技术使用者：北京控制工程研究所
技术研发日：2023.03.02
技术公布日：2023/4/20