一种交会对接六自由度相对控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种交会对接六自由度相对控制方法，首先对相对平动和相对转动运动进行动力学建模；之后，采用PI控制律设计接近方向（X方向）的相对速度保持控制器；采用PD控制律设计横向位置（Y/Z方向）保持控制器；采用PID控制律设计相对姿态控制器；对所得到的连续控制量，提出一种新的脉宽调制方法进行调制得到推力器的执行脉宽，最终形成一套基于PID控制律的相对状态控制器设计策略并提出了完整的控制器参数选择设计方案。所发明的方法克服传统采用相平面控制算法时，难以分析挠性振动等干扰因素对控制器设计影响的不足，同时克服了相平面控制难以进行精确相对速度跟踪控制的不足，可实现高精度交会对接相对状态控制。
【专利说明】一种交会对接六自由度相对控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种交会对接六自由度相对控制方法，特别是涉及一种基于PID控制律和脉宽调制的交会对接六自由度相对控制方法，属于交会对接相对控制领域。
【背景技术】
[0002]交会对接任务是空间站在轨构建与维护、航天器在轨服务、深空探测等航天任务必须具备的关键技术。在交会对接任务中的最后阶段，两航天器相距数百米范围内，通常必须采用相对平动、相对转动六自由度闭环控制方式，以满足对接条件最终实现对接。
[0003]空间交会对接技术正在向自主自动方向发展，弱撞击式对接机构由于适用性广泛，被大量采用。相对于锥杆式以及异体同构式对接机构，弱撞击对接机构对对接初始条件的要求更为严格，通常要求追踪器以厘米级的相对速度接近目标航天器，控制误差为mm/s量级，横向位置和速度控制偏差均要求为厘米级，相对姿态误差要求小于1°。
[0004]为满足高精度交会对接条件要求，需要在相对状态控制器设计中克服测量不确定性、挠性部件振动耦合、液体晃动耦合、推力执行误差、姿态平移耦合等因素对控制效果的影响，设计对系统不确定因素具有一定鲁棒性的控制算法。
[0005]目前，国内外交会对接六自由度控制采用的方法大致可归为3类:1)基于相平面的相对控制方法。基于相平面的相对控制方法严格意义上仅对双积分模型适用。该方法使用简单，但是其稳定性等性能分析较难，此外该方法的鲁棒性改进也缺少理论分析手段；2)基于滑模控制的相对控制方法。滑模控制方法在相对控制中的具体形式为视线制导。视线制导控制方法采用球面坐标描述相对运动，状态量间的耦合比较强，工程设计中为简化问题通常忽略状态间的耦合影响，这实际上限制了视线制导控制方法的精度提高；3)基于PID控制律的相对控制方法。基于PID控制律的相对控制方法，采用PID控制律设计控制器，可利用频域和时域控制理论分析方法对控制器的性能进行分析，对该方法的鲁棒性改进具有比较好的拓展性。
[0006]国外的交会对接任务设计中已有采用基于PID相对控制方法的型号,但是未公开其具体控制参数的选择方法；此外，PID控制律本质上是连续控制方法，而推力器的工作模式为开关控制，所以必须进行控制量的调制，调制方法对控制效果也有重要影响。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种交会对接六自由度相对控制方法，该方法形成一套基于PID控制律的相对状态控制器设计策略，提出了完整的控制器参数选择设计方案，并采用了一种基于PRM脉宽等价策略的脉宽调制方法以实现连续控制量的脉宽调制，该脉宽调制方法可充分利用PRM具有超前校正的作用有效改善控制系统性能。
[0008]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
[0009]一种交会对接六自由度相对控制方法，包括如下步骤:[0010]步骤(一)、建立控制器设计使用的被控对象相对动力学模型，包括相对平动动力学模型和相对转动动力学模型:
[0011]( I)、建立相对平动动力学模型
[0012]设目标航天器对接口系原点到追踪器对接口系原点间的位置矢量为Rdtdc= (x y z)τ，得到Rdtd。在目标器对接口系中的动力学模型为:
[0013]Rltdc = a +a,m
[0014]其中，a。为控制加速度，affle为模型误差。
[0015]( 2 )、建立相对转动动力学模型 [0016]追踪器对接口坐标系相对目标器对接口系的角速度设为同时用312转序的相对姿态欧拉角描述相对姿态，并忽略各轴间的耦合作用，得到相对转动动力学模型:
[0017]/?# = 4+ Fih
[0018]Ij = Tcy^Tax
[0019]= Tis+Tdm.[0020]其中，f Si为欧拉角，I。为追踪航天器转动惯量，Td为外扰力矩，T。为控制力矩。
[0021]步骤(二)、进行控制器设计，包括接近方向相对速度控制器设计、横向相对位置控制器设计和相对姿态控制器设计:
[0022]( I)、接近方向相对速度控制器设计
[0023](a)、利用相对测量敏感器的测量信息得到接近方向相对位置《和相对速度i，将相对速度i与指令速度做差得到M = i/n-1.；
[0024](b)、利用追踪器相对于目标器的初始相对位置Xtl和指令速度之得到指令相对位置xJn = xO +%(?;)，将相对位置X与指令相对位置Xm做差得到Δχ = Xln-Xl其中t为当前时刻，to为初始时刻；
[0025](C)、利用PI控制律得到控制量= KjAx +KpM ；将控制量ux除以X方向的推力
UU
器推力加速度3_!￡得到,》将「作为脉宽调制计算的输入，经过脉宽调制后输出喷气
ujetxJeix
脉宽tx，推力器依据tx实施开机和关机操作，对追踪航天器施加控制加速度；
H a( k ?
[0026]其中:控制器参数<= ；
[0027]为控制死区；Ηι为脉宽调制参数；ζ为阻尼比；
[0028]( 2 )、横向相对位置控制器设计
[0029](d)、利用相对测量敏感器的测量信息得到相对位置i和相对速度I;
[0030](e)、利用PD控制律得到控制量Ms =-1CiJ；将控制量Uz除以Z方向的推力ιΜU
器推力加速度3_,得到，》将，作为脉宽调制计算的输入；经过脉宽调制后输出喷气
uJeiz
脉宽为tz，推力器依据tz实施开机和关机操作，对追踪航天器施加控制加速度；
[0031]其中:控制器参数
【权利要求】
1.一种交会对接六自由度相对控制方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤(一)、建立控制器设计使用的被控对象相对动力学模型，包括相对平动动力学模型和相对转动动力学模型: (I)、建立相对平动动力学模型 设目标航天器对接口系原点到追踪器对接口系原点间的位置矢量为Rdtdc= (x y Z)τ，得到Rdtd。在目标器对接口系中的动力学t吴型为:
2.根据权利要求1所述的一种交会对接六自由度相对控制方法，其特征在于:所述步
骤(二)的(C)步骤中将
3.根据权利要求1所述的一种交会对接六自由度相对控制方法，其特征在于:所述步骤(二)的(e)步骤中将
4.根据权利要求1所述的一种交会对接六自由度相对控制方法，其特征在于:所述步骤(二)的(g)步骤中将夂作为脉宽调制计算的输入，经过脉宽调制后输出喷气脉宽tv的具体方法如下: (1)以八_为步长进行计算，一个控制周期内有N=[TSC/Tstep]次递推，其中Π为取整数，Tsc为控制周期；单轴PRM每次递推计算的公式如下: K — I—卿 ZrM.Hg 1.wj R=R + KbX (Y-R)；
E=U-R ；
Ht = H1-H2 ； 若 E+YXHt SH1，则 Y = I ； 否则，若 E+YXHt ( -H1，则 Y = -1 ； 否则Y = O; 其中:U为脉宽调制输入，即彳；Y为脉宽调制单次递推的输出；R、E均为中间变量；
je-?ψTm为PRM惯性反馈环节的时间常数M1H2为脉宽调制参数； (2)将每个控制周期计算得到的Y序列{Yk}1:N进行累加得到控制脉宽--，并且计算Ταιι_Τα11+Τ0Π ;右 Tsc>TAn ^ Tmin,则 tv-TA11，Tai1-O ;右 Taii ^ Tsc,则 tv-Tsc，Tai1-Tai1-Tsc ;右TA11〈Tmin，则tv=o。偏航方向推力器按照控制脉宽tv进行控制作用。
5.根据权利要求1所述的一种 交会对接六自由度相对控制方法，其特征在于:所述步骤(二)的(2)步骤进行横向相对位置控制器设计中，步骤(d)利用相对测量敏感器的测量信息得到相对位置,和相对速度I ,后续方法同步骤(e)。
6.根据权利要求1所述的一种交会对接六自由度相对控制方法，其特征在于:所述步骤(二)的(3)步骤进行相对姿态控制器设计中，步骤(f)利用相对姿态确定算法得到相对滚动角#和相对滚动角的变化率I?或得到相对俯仰角#和相对俯仰角的变化率I;后续方法同步骤(g)。
7.根据权利要求1所述的一种交会对接六自由度相对控制方法，其特征在于:所述控制参数Kp取值如下: 相对平动控制Kp= ω。。2，相对姿态控制1?ρ=ω。。2〗，I为对应轴的卫星转动惯量；ω。。为要求的控制系统带宽。
8.根据权利要求1所述的一种交会对接六自由度相对控制方法，其特征在于:所述死区D的选择如下:死区D小于控制精度指标要求值，并且略大于相对状态的估计误差。
9.根据权利要求1所述的一种交会对接六自由度相对控制方法，其特征在于:所述阻尼比ξ的选择如下:要求系统的动态响应快，忍受动态响应超调时，选择0.7〈ξ〈1.0 ;要求系统动态过程不出现超调，选择ξ>1.0。
【文档编号】G05D1/08GK103576689SQ201310464377
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】刘涛, 王颖 申请人:北京控制工程研究所