一种在轨拼接后空间平台接管控制方法及系统

本发明涉及大型模块化空间平台，特别是涉及一种在轨拼接后空间平台接管控制方法及系统。

背景技术：

1、随着大型航天器研制技术的难度提高、保障系统投入资源的大幅增加以及可重复利用性的降低，相关国家和科研机构开始追求航天系统的模块化以固定生产研制流程、降低成本和提高系统的可维修性和可升级性，大型可重构空间平台是当前典型的大型航天器构建模式之一。大型可重构空间平台是指由模块化平台按照一定规则连接构成的能够根据空间任务改变自身构型的大型航天器平台，其中模块化平台具有标准接口、自描述功能模块和自配置系统。

2、大型可重构空间平台在轨构建过程中因拼接重构导致构型发生变化，同时惯性信息改变导致的接管控制器设计复杂、执行机构协同效率低、模块间能量消耗不均衡和控制精度不高等诸多问题。大型可重构空间平台的实际构型会因复杂空间任务的改变而改变，因此，如何设计更加具有通用性的高精度控制方案实现大型可重构空间平台在轨拼接重构后的接管控制，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种在轨拼接后空间平台接管控制方法及系统，提高了在轨拼接后空间平台接管的控制精度。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种在轨拼接后空间平台接管控制方法，包括：

4、建立在轨拼接后空间平台的姿态接管控制状态空间模型；所述在轨拼接后空间平台为多个模块化平台的组合体；

5、基于所述姿态接管控制状态空间模型，计算稳定所述在轨拼接后空间平台的期望控制力矩，并根据所述期望控制力矩生成期望控制力矩信号；

6、根据在轨拼接后空间平台中各模块化平台之间的通讯拓扑关系和各模块化平台实时的能量消耗，将所述期望控制力矩信号分配到各模块化平台；

7、根据各模块化平台实时分配到的分控制力矩信号，控制各模块化平台的执行机构生成对应分控制力矩。

8、可选地，所述姿态接管控制状态空间模型表示为：

9、

10、其中，x(t)为姿态接管控制状态空间模型的状态变量，为x(t)的导数，t为时间，为在轨拼接后空间平台的滚转角，θ为在轨拼接后空间平台的俯仰角，ψ为在轨拼接后空间平台的偏航角，为在轨拼接后空间平台的滚转角速度，为在轨拼接后空间平台的俯仰角速度，为在轨拼接后空间平台的偏航角速度，w(t)为综合干扰，w0(t)为外界干扰，ud(t)为执行机构加法故障，b1和b2均为姿态接管控制状态空间模型的输入矩阵，03×3为三维零矩阵，为第一对角矩阵，ix0为在轨拼接后空间平台标称转动惯量在主惯量轴x轴上的分量，iy0为在轨拼接后空间平台标称转动惯量在主惯量轴y轴上的分量，iz0为在轨拼接后空间平台标称转动惯量在主惯量轴z轴上的分量，为b2的伪逆矩阵，δai为第一未知惯性矩阵，δb1和δb2均为第二未知惯性矩阵，u(t)为混合非脆弱h2/h∞控制器，a为姿态接管控制状态空间模型的状态矩阵，δap(t)为姿态接管控制状态空间模型的参数不确定性矩阵，c表示测量矩阵，c2表示第一受控矩阵，c∞表示第二受控矩阵，y(t)表示姿态接管控制状态空间模型的测量输出，z2表示系统的第一控制输出，z∞表示系统的第二控制输出。

11、可选地，基于所述姿态接管控制状态空间模型，计算稳定所述在轨拼接后空间平台的期望控制力矩，并根据所述期望控制力矩生成期望控制力矩信号，具体包括：

12、基于所述姿态接管控制状态空间模型，预设混合非脆弱h2/h∞控制器的三段法计算流程；

13、其中，三段法计算流程的第一段包括：

14、进行第一优化，所述第一优化的公式表示为：

15、

16、其中，δ为大于零的第一待优化变量，i为单位矩阵，i2为第一分块矩阵，为第二分块矩阵，l∞为第三分块矩阵，为第四分块矩阵；

17、

18、

19、其中，lij、l16、l26和l66均为待优化变量矩阵，i和j的取值范围均为0至6之间的整数，σ表示中间参数，σ＝σdiag(i,i,i,i,i,0)，σ为大于零的第二待优化变量，diag(i,i,i,i,i,0)为第二对角矩阵，x、y和z均为待优化的正定对称矩阵，γ2为大于零的常数，trace(z)为z的迹，w2表示第一中间矩阵，z2为第三对角矩阵，w∞表示第二中间矩阵，z∞为第四对角矩阵；

20、z2＝diag(γ1,γ2)；

21、γ1表示第三中间矩阵，γ2表示第五对角矩阵，表示两种控制增益摄动出现的概率的期望值，ξm表示第一常数，ξa表示第二常数，ξ表示第三常数，ma表示第一实数矩阵，na表示第二实数矩阵，m表示第三实数矩阵，n表示第四实数矩阵，mm表示第五实数矩阵；

22、

23、

24、为第四中间矩阵，为第六中间矩阵，

25、当所述第一优化的公式存在可行解时，通过得到第一初始矩阵和第二初始矩阵

26、三段法计算流程的第二段包括：

27、进行第二优化，第二优化的公式表示为：

28、

29、其中，μ1为第一算法惩罚因子，μ2为第二算法惩罚因子，为大于零的第三待优化变量，ε1为大于零的第四待优化变量，为第一变量矩阵，e2为第一松弛变量矩阵，v1为第一待求解变量矩阵，v2为第二待求解变量矩阵，为第一过渡矩阵，为第二过渡矩阵，为待优化变量矩阵，nm为第六实数矩阵；

30、当所述第二优化的公式存在可行解且得到的趋于零时，通过和求解第一过渡矩阵和第二过渡矩阵

31、三段法计算流程的第三段包括：

32、进行第三优化，所述第三优优化的公式表示为：

33、

34、其中，ε为大于零的第五待优化变量，λ为第二变量矩阵，e1第二松弛变量矩阵；

35、当所述第三优优化的公式存在可行解且ε的值小于或者等于零时，通过求解混合非脆弱h2/h∞控制器增益矩阵；

36、根据混合非脆弱h2/h∞控制器增益矩阵，计算稳定所述在轨拼接后空间平台的期望控制力矩。

37、可选地，所述三段法计算流程在承担混合非脆弱h2/h∞控制器功能的模块化平台的星载计算机执行。

38、可选地，根据在轨拼接后空间平台中各模块化平台之间的通讯拓扑关系和各模块化平台实时的能量消耗，将所述期望控制力矩信号分配到各模块化平台，具体包括：

39、根据在轨拼接后空间平台中各模块化平台之间的通讯拓扑关系和各模块化平台实时的能量消耗，构建分布式动态控制力矩分配策略；

40、根据分布式动态控制力矩分配策略将所述期望控制力矩信号分配到各模块化平台；

41、所述分布式动态控制力矩分配策略表示为：

42、

43、其中，κi(t)∈(0,1),i＝1,2,...n为第i个模块化平台得到的控制力矩分配系数，n为模块化平台的数量，为κi的导数，κj(t)为第j个模块化平台得到的控制力矩分配系数，为与第i个模块化平台有通讯关系的邻居模块化平台的集合，hj为第j个模块化平台的能量平衡因子，hi为第i个模块化平台的能量平衡因子。

44、可选地，第i个模块化平台被分配的分控制力矩信号对应的控制力矩为：

45、ui＝κi(t)u(t),i＝1,2,...n.；

46、其中，u(t)为所述期望控制力矩信号对应的期望控制力矩，ui为第i个模块化平台被分配的分控制力矩信号对应的控制力矩。

47、可选地，各模块化平台的执行机构执行的分控制力矩表示为：

48、

49、其中，[ui1,ui2,ui3,...uim]为第i个模块化平台的m个执行机构分别产生的控制力矩，di为第i个模块化平台的m个执行机构的安装矩阵，为di的伪逆，ri为第i个模块化平台本体坐标系至在轨拼接后空间平台的余弦转换矩阵。

50、本发明还公开了一种在轨拼接后空间平台接管控制系统，包括：

51、姿态接管控制状态空间模型构建模块，用于建立在轨拼接后空间平台的姿态接管控制状态空间模型；所述在轨拼接后空间平台为多个模块化平台的组合体；

52、期望控制力矩信号生成模块，用于基于所述姿态接管控制状态空间模型，计算稳定所述在轨拼接后空间平台的期望控制力矩，并根据所述期望控制力矩生成期望控制力矩信号；

53、期望控制力矩信号分配模块，用于根据在轨拼接后空间平台中各模块化平台之间的通讯拓扑关系和各模块化平台实时的能量消耗，将所述期望控制力矩信号分配到各模块化平台；

54、分控制力矩信号执行模块，用于根据各模块化平台实时分配到的分控制力矩信号，控制各模块化平台的执行机构生成对应分控制力矩。

55、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

56、本发明基于通用型的姿态接管控制状态空间模型，计算稳定在轨拼接后空间平台的期望控制力矩，并根据期望控制力矩生成期望控制力矩信号，根据在轨拼接后空间平台中各模块化平台之间的通讯拓扑关系和各模块化平台实时的能量消耗，将期望控制力矩信号分配到各模块化平台，能够均衡各模块化平台之间的能量消耗，并且通过实时的能量消耗，提高了控制精度。