[发明专利]一种卫星姿态模糊控制器参数优化方法

说明书

技术领域

本发明属于卫星控制技术研究领域。特别涉及一种基于卫星姿态模糊控制器参数优化方法。

背景技术

随着卫星技术的发展，现代卫星平台结构庞大复杂，系统的不确定性很强，而卫星姿态控制精度和稳定度要求更高。传统的姿态控制方法日益无法满足现代卫星平台所能达到的指标要求，因此以模糊控制为首的智能控制方法越来越得到重视和发展。智能控制基本不依赖控制对象的模型，并且具有自我学习的能力，因此具有很好的鲁棒性和自适应能力，对于处理卫星平台系统的模型不确定性和非线性性具有优势。

模糊控制器因其清晰明了的语言性描述和优越的控制性能在最近20年得到很大关注，但是由于模糊控制器的隶属度函数和模糊规则设定的复杂性，使得模糊控制器的优化设计一直是研究人员致力研究的问题。在卫星姿态模糊控制器设计中，一般采用手动试凑方式进行模糊隶属度函数和模糊规则的设计。这种手动试凑的方法效率极低，并且模糊控制器无法对控制对象的变化作出自我调整，自适应能力和鲁棒性都较差。

为了简化模糊控制器的设计工作，一系列参数优化方法被用于模糊控制器的设计，如模拟退火算法，粒子群优化算法等等。模拟退火算法是受退火这一物理过程启发而来，模拟退火算法的中心思想是将目标优化问题比拟成金属物体，随着温度的逐渐降低，不断求取目标函数的值，并依据Metropolis准则获得能量最小的理想状态，从而描述这样一个全局最佳寻优过程。粒子群优化算法是跟踪每个粒子拓扑邻居中的最佳位置，对粒子的速度和位置进行更新，使得粒子趋于分簇，并最终获得粒子个体的最优位置和全局最优解。

目前对卫星姿态模糊控制器的优化设计方法存在如下问题：（1）单独使用模拟退火算法进行卫星姿态模糊控制器设计时，模拟退火算法难以承担模糊控制器较大的计算量，优化设计过程效率低；（2）单独使用粒子群优化算法进行卫星姿态模糊控制器设计时，粒子群优化算法的位置和速度的更新公式容易导致优化进程过早收敛，使得算法进程陷入局部最优；（3）粒子群优化算法与其他优化算法相结合已经得到很多关注,但是这些算法仅仅是对于粒子群优化算法的位置和速度更新规则的改进，并没有对粒子的操作提出改革性的举措，对于解决大规模复杂问题时，不仅速度极慢，而且很难收敛。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服现有卫星姿态模糊控制器设计方法的不足，提供一种卫星姿态模糊控制器参数优化方法，采用基于改进的粒子群优化算法对基于磁悬浮飞轮群的卫星姿态模糊控制器进行设计，实现卫星高精度和高稳定度姿态控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种卫星姿态模糊控制器参数优化方法，其特点在于建立基于磁悬浮飞轮群的卫星姿态动力学和运动学模型，基于动力学和运动学模型，建立卫星姿态模糊控制器，进一步引入改进的粒子群优化算法对姿态模糊控制器进行参数优化设计，实现卫星姿态的高精度和高稳定度控制。

具体包括以下步骤：

1、建立卫星载体固连坐标系和单个磁悬浮飞轮固连坐标系；

建立卫星载体固连坐标系(x_b,y_b,z_b)，坐标系原点位于载体质量中心，卫星固定有三个磁悬浮飞轮，以正交形式安装；建立第j(j＝1,2,3)个磁悬浮飞轮固连坐标系(x_wαj,y_wβj,z_wsj)，其中z_wsj表示第j个磁悬浮飞轮自转轴方向单位向量，x_wαj和y_wβj分别表示第j个磁悬浮飞轮径向轴方向单位向量；

2、基于步骤1建立磁悬浮飞轮群角动量模型；

自转轴平行于z_b轴的磁悬浮飞轮w₁相对于卫星载体固连坐标系的角动量为：