[发明专利]基于角动量裕度的单轴批量反作用飞轮力矩优化分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞轮的力矩分配方法，特别涉及一种基于角动量裕度的单轴反作用飞轮的力矩优化方法。属于控制分配领域。

背景技术

随着我国航天事业的飞速发展，航天器快速姿态机动及其可靠性问题成为目前主要的研究内容。于此同时，容错性对于军事领域及空间应用起着至关重要的作用，对于这些环境极端，条件恶劣的应用场合，航天器的可靠性是一个不容忽视的关键性问题。考虑到航天器应用周期较长，因此航天器上经常配置只消耗电能的反作用飞轮作为姿态控制系统的执行机构。同时又为了提高航天器的可靠性及其输出能力，现常采用冗余配置的反作用飞轮系统，如何将期望的控制指令分配到冗余的、力矩与角动量受限的各个反作用飞轮上去是设计航天器控制分配算法时所需要考虑的关键问题之一。

现常用的能量优化分配方法能够满足航天器的姿态控制要求，但它也存在着一定的缺点：最重要的一点则是利用能量优化分配方法得到的解并不一定在反作用飞轮可执行的范围内，可能会导致飞轮出现力矩饱和的现象，从而导致机动任务无法执行。

另外一种常用的方法为二次规划法，二次规划方法能够很好地处理受限条件下的复杂控制分配问题，且有较强的物理意义。考虑到执行机构的不同特性，当执行机构偏转速率限制不一致情况下该方法更贴近工程实际。但二次规划方法在处理控制分配问题的同时，将控制分配问题转化为非线性规划问题，由于传统解法复杂、且效率不高，因此限制了二次规划法的使用。

发明内容

为了克服传统力矩分配方法不考虑飞轮自身角动量而可能导致飞轮力矩饱和以致无法完成任务的问题，也为了克服二次规划方法解法复杂且效率不高的问题，本发明提出了一种基于角动量裕度的单轴批量反作用飞轮力矩优化分配方法。

所述基于角动量裕度的单轴批量反作用飞轮力矩优化分配方法包括以下步骤：

步骤一：建立单轴批量反作用飞轮力矩分配的数学模型。假设飞行器某个轴上装有n个反作用飞轮，则该飞轮组的安装矩阵能写为系统对该轴的期望力矩表示为u_c，每个飞轮分配到的指令力矩记为则期望力矩与指令力矩之间应满足u_c=I^Tu_w，同时该式也是求导优化问题的约束条件。

步骤二：推导能量优化分配方法。由于飞轮系的能量消耗与每个反作用飞轮的输出力矩息息相关，因此，利用飞轮力矩向量构造如下能量指标函数则能量优化分配策略能表示成如下优化问题：

J1=12uwTuw=mins.t.uc=ITuw,]]>

采用拉格朗日乘子法构造拉格朗日函数为将拉格朗日函数分别对u_w和λ求偏导能得出下式，