航天器双环滑模变结构姿态控制参数优化方法
【专利摘要】本发明涉及一种姿态控制参数优化方法，具体讲是涉及一种航天器双环滑模变结构姿态控制参数优化方法，该方法建立了基于权重系数的多目标遗传算法优化滑模变结构控制器参数模型，模型以控制器参数为变量，控制力矩为约束条件，时间和功耗最优为目标。该方法着重解决的问题是，在满足控制力矩输出约束条件下，得到了一组较优的控制器参数，使得控制系统具有低功耗且收敛速度更快的性能。
【专利说明】航天器双环滑模变结构姿态控制参数优化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种姿态控制参数优化方法，具体讲是涉及一种航天器双环滑模变结构姿态控制参数优化方法，其属于宇航控制领域。
【背景技术】
[0002]在航天器做空间交会对接任务时，要求航天器能进行大角度姿态快速机动且功耗少。另外，由于该任务姿态角变化范围大，角速度变化剧烈，且随着燃料的消耗以及挠性附件的变动，其转动惯量变化大，同时受外部干扰力矩的作用，导致对航天器的控制具有很大的不确定性。因此具有较好鲁棒性的航天器控制系统是现今研究热点。
[0003]由于滑模变结构控制能对不确定对象进行有效控制，因此近年在航天器控制领域得到了广泛的应用。另外，采用双环滑模变结构控制器来实现航天器姿态控制跟踪，会存在控制力矩过大的问题。优化控制器参数能很好地改善航天器姿态控制性能。控制器参数的优化选择成为航天器控制研究的重要部分。
[0004]控制器都包括多个设计参数，且参数之间存在一定的耦合关系，参数的选择决定了控制器的性能。对控制器参数优化设计中，以往大多依赖于设计者的经验来选择设计参数，或者以单一目标进行优化。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种航天器双环滑模变结构姿态控制参数优化方法，其基于多目标遗传算法，在控制力矩约束条件下，得到一组最优控制器参数，使得航天器姿态机动能既稳定快速又低能耗。
[0006]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为航天器双环滑模变结构姿态控制参数优化方法，其步骤如下:
[0007]S1、参数编码。
[0008]S2、初始化种群。
[0009]S3、计算每个个体的适应值。
[0010]S4、对种群进行选择、交叉、变异操作。
[0011]S5、终止条件为给定的最大进化代数和最佳优化值是否连续若干代都没有变化。据此判断重复S4或者终止优化，给出最优解。
[0012]其中，步骤SI中，优化参数为K= [Vk^PpP2]，采用四维二进制编码。其中K为双环滑模控制器的参数。
[0013]步骤S2中，随机产生m个个体，并使步骤SI中K值都大于O。
[0014]步骤S3中，构造适应度函数为:
[0015]F(K) = σ JGipky P 丄、P 2) + σ 21(1^、1^2、P 丄、P 2) (I)
[0016]其中σ丨和σ 2为可变权重系数，σ ^ σ 2 = I。
[0017]T为航天器达到期望姿态所用的时间，如下:
【权利要求】
1.航天器双环滑模变结构姿态控制参数优化方法，其在航天器动力学和运动学方程和双环滑膜变结构控制系统建立完成的基础上进行，其特征在于:其步骤如下: 51、参数编码:采用四维二进制编码，对双环滑模控制器的参数K=Lk1^k2, P ^ P2]进行编码； 52、初始化种群:随机产生m个个体,使得个体K在所允许的范围； 53、计算每个个体的适应值: 构造适应度函数为:
F(K) = σ J (kp k2、P P 2) + σ 2ff (k^ k2、P1^ P2) (I) 其中，01和σ2为可变权重系数，σ ^o2 = I5T为航天器达到期望姿态所用的时间，W为航天器姿态控制的功耗； 54、对种群进行选择、交叉、变异操作:设置交叉率为0.8，变异率为0.001，进行交叉、变异、选择操作； 55、判断是否满足终止条件:满足终止条件，输出最优值，否则重复S4。
2.根据权利要求1所述的航天器双环滑模变结构姿态控制参数优化方法，其特征在于:所述航天器达到期望姿态所用的时间T的表达式为:
其中，Mmax为最大控制力矩，Mp为执行机构控制力矩上限；λ为惩罚系数；ti为各个状态变量误差Xei由初始值降到调节过程期间最大值的2%时所需时间。
3.根据权利要求1所述的航天器双环滑模变结构姿态控制参数优化方法，其特征在于:w为航天器姿态控制的功耗W，其表达式为:
其中，02为姿态角的变化总量，Mi(t)为绕第i个轴随时间变化的力矩，ω,α)为绕第i个轴随时间变化的转动角速度。
4.根据权利要求1所述的航天器双环滑模变结构姿态控制参数优化方法，其特征在于:所述终止条件为给定的最大进化代数和最佳优化值是否连续若干代都没有变化。
【文档编号】G05B13/04GK104181928SQ201410469101
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】张强, 黄强, 张建新 申请人:大连大学