一种准对日定向姿态的自适应控制方法及系统

本发明涉及姿态控制领域，尤其涉及一种准对日定向姿态的自适应控制方法及系统。

背景技术：

1、随着全球环境与能源问题日益突出，寻求清洁绿色可持续能源已引发广泛的国际关注，各国逐步提出了一系列空间太阳能电站的构想。空间太阳能电站作为超大型航天器，其太阳能电池阵列的面积到达平方千米量级，质量到达数千吨到数万吨量级。相比于常规尺寸的航天结构，如此大型的太阳能电池阵列在姿态方案的设计与控制上，面临空间摄动力矩大、控制执行机构能力受限、燃料消耗多、结构柔性影响大等问题。如何使太阳能电池阵列获得充足的太阳能辐射并降低控制燃料消耗，成为空间太阳能电站姿态设计与控制的难题。

2、最简单的姿态方案是万有引力梯度稳定的姿态，这种方案可使太阳能电池阵列在万有引力梯度的作用下自动保持稳定，不考虑其他摄动时所需控制力矩很小。但这种姿态无法保证太阳能电池阵列对日定向，导致太阳能捕获率很低，不能实现持续发电。为了提高太阳能电池阵列的利用率，很多空间太阳能电站考虑采用对日定向的姿态方案，即太阳能电池阵列始终保持对日指向。

3、在以往的研究中，学者们都是通过二分法、弦割法等方法不断修正初始条件获得准对日定向姿态的。但是当空间太阳能电站在轨运行时，无法进行初始条件的修改操作，因而不能直接用于实际运行过程的准对日定向姿态控制。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了解决现有准对日定向姿态控制方法中需要不断调整初始条件，无法解出准对日定向姿态的准确初值，进而无法直接用于实际运行过程，本发明提出一种准对日定向姿态的自适应控制方法，所述方法包括以下步骤：

2、估计初始姿态角速度的范围；

3、将控制过程划分周期，在奇数周期施加控制，使偶数周期的开始时刻按照给定的姿态角速度运行；

4、改变偶数周期初始时刻的角速度，直至偶数周期的结束时刻的姿态角满足准对日定向姿态的要求，得到准对日定向姿态的初始条件。

5、在一些实施例中，在奇数周期中，其结束时刻的姿态角和姿态角速度表示如下：

6、

7、其中，表示目标姿态角，表示目标姿态角速度，表示结束时刻的姿态角，表示结束时刻的姿态角速度，tp表示从当前周期重新开始的时间，t表示预定的周期，以一个太阳日记为一个周期。

8、在一些实施例中，所述在奇数周期施加控制，其具体包括：

9、定义轨迹规划的多项式，结合前一周期结束时刻的态角和姿态角速度、当前周期结束时刻的实际姿态角和实际姿态角速度求解所述多项式的系数；

10、基于所述多项式的系数，结合周期时间，求解目标姿态角和目标姿态角速度；

11、采用姿态反馈控制达到航天器的目标姿态角和目标姿态角速度。

12、在一些实施例中，采用二分法或弦割法求解目标姿态角和目标姿态角速度。

13、在一些实施例中，所述求解目标姿态角和目标姿态角速度这一步骤，其具体包括：

14、采用二分法确定初值范围；

15、基于所述初值范围，通过弦割法迭代求解，得到目标姿态角和目标姿态角速度。

16、通过该优选步骤，考虑采用简单的二分法确定一个较小初值范围，再通过弦割法迭代求解，相比于单独使用二分法或单独使用弦割法都能更快收敛到准确解。

17、在一些实施例中，引入前馈控制力矩。

18、在一些实施例中，所述轨迹规划的多项式为五次多项式。

19、理想情况下控制力矩由惯性力矩、反馈控制力矩、万有引力梯度力矩组成。为了保证力矩的连续，需要在这三方面都保证连续。由于在轨迹规划中保证了姿态角和角速度的连续性，所以反馈控制力矩是连续的。惯性力矩的连续需要在轨迹规划过程引入姿态角加速度的约束，因此可以通过五次多项式实现。万有引力梯度力矩可以通过前馈力矩进行抵消，避免引起较大的控制误差而导致控制力矩快速振荡。

20、本发明还提出了一种准对日定向姿态的自适应控制系统，所述系统包括：

21、至少一个处理器；

22、至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

23、当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上所述一种准对日定向姿态的自适应控制方法。

24、基于上述方案，本发明基于二分法、弦割法和多项式轨迹规划方法，提出一种准对日定向姿态的自适应控制方法，使得不同结构参数的太阳能电池阵列在任意初始姿态条件下，都能通过该控制方法最终收敛到准对日定向姿态。此外，本文还提出基于前馈-反馈的规划和控制方法，避免了控制力矩突变引起的剧烈结构振动问题。

技术特征：

1.一种准对日定向姿态的自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种准对日定向姿态的自适应控制方法，其特征在于，在奇数周期中，其结束时刻的姿态角和姿态角速度表示如下：

3.根据权利要求1所述一种准对日定向姿态的自适应控制方法，其特征在于，所述在奇数周期施加控制，其具体包括：

4.根据权利要求1所述一种准对日定向姿态的自适应控制方法，其特征在于，采用二分法或弦割法求解目标姿态角和目标姿态角速度。

5.根据权利要求3所述一种准对日定向姿态的自适应控制方法，其特征在于，所述求解目标姿态角和目标姿态角速度这一步骤，其具体包括：

6.根据权利要求3所述一种准对日定向姿态的自适应控制方法，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求6所述一种准对日定向姿态的自适应控制方法，其特征在于，所述轨迹规划的多项式为五次多项式。

8.一种准对日定向姿态的自适应控制系统，其特征在于，包括：

技术总结本发明公开了一种准对日定向姿态的自适应控制方法及系统，该方法包括：估计初始姿态角速度的范围；将控制过程划分周期，在奇数周期施加控制，使偶数周期的开始时刻按照给定的姿态角速度运行；改变偶数周期初始时刻的角速度，直至偶数周期的结束时刻的姿态角满足准对日定向姿态的要求，得到准对日定向姿态的初始条件。该系统包括存储器以及用于执行上述准对日定向姿态的自适应控制方法的处理器。通过使用本发明，能够得到准对日定向姿态的准确初值，进而实现准对日定向姿态的实时控制。本发明可广泛应用于姿态控制领域。技术研发人员：李庆军,吴雨亭,陈祥佳,符康琦,罗嘉锐受保护的技术使用者：中山大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17