[发明专利]一种基于凸包确定推力器列表的控制分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于凸包确定推力器列表的控制分配方法，属于飞行器控制领域。

背景技术

推力器是各类飞行器上常采用的执行机构，为了保证飞行器高可靠性和高机动性，常采用冗余配置系统，使得期望控制量到推力器控制指令的分配方案不唯一。这就需要在控制系统中引入控制分配环节来完成期望控制量在冗余推力器间的分配，使推力器的实际输出与期望量尽可能一致。

控制分配方法是由控制算法给出的期望控制量出发，在各类型约束条件和最优目标下，将期望控制量在冗余配置的执行机构间进行分配，使得执行机构实际控制输出尽可能与期望控制量相吻合的一种控制设计技术，具有控制分配环节的航天器控制系统框图如图1所示。在控制律与执行机构之间引入控制分配环节，将传统的控制系统设计分为控制算法设计和控制分配方法设计两部分，控制算法设计专注与控制律的设计而忽略执行机构的影响，而控制算法的设计专门负责冗余执行机构的管理以及指令的分配工作，有效隔离控制系统与执行机构之间的联系，能够提高系统对故障的容错能力，增强系统的鲁棒性。

目前来看，解决推力器控制分配问题的算法主要可以分为两大类：动态的控制分配方法和静态的控制分配方法。动态控制分配方法，包括广义逆法、线性规划方法、二次规划算法，它主要是根据推力器模型、约束条件以及最优目标，将控制分配问题转化为数学模型，并基于数学优化方法实现控制指令的实时分配,动态控制分配方法具有容错性能强、鲁棒性好的特点，但需要进行实时优化求解，使得计算过程复杂，对星载计算机的要求高，很难在实际工程上进行应用。而静态控制分配方法，这种方法根据卫星预先定义的机动和控制模式确定出相应的推力器组合，并将其存储于星载计算机中，这种方法包括传统指令直接分配方式以及基于推力器组合表的实时控制指令分配算法，传统指令直接分配方式是根据解耦思想按控制指令各分量方向将推力器进行分组，通过对消的方式使得每个组合仅在一个方向上产生作用，这种方法对消过多，推力器的使用率低，燃料浪费严重，无法满足现代飞行器对高性能、低成本的要求，而近几年由欧空局提出的指令分配最优查表法，通过在星载计算机中预存入最优推力器组合表，并通过在线查表确定出与期望控制量最吻合的分配方案，国内学者王敏、解永春等人对该方法进行了研究，提出了一种代数方法制定最优推力器组合列表，但是由于该方法建立的优化求解模型中没有考虑推力器的大小约 束，使得制定出的推力器组合中的推力器数目与期望控制指令的维数相同，限制了推力器的分配空间，同时该代数方法是采用单纯形进行求解，计算过程复杂且繁琐，且在线查表时时基于连续控制推力器模型得到，对采用开关控制模式的推力器模型适用性差。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于凸包确定推力器列表的控制分配方法，以解决现有最优查表法中离线制定推力器组合表复杂，确定的推力器列表的分配控制小，无法同时适用于开关控制模式的推力器模型等问题。

本发明为解决上述技术问题，提出一种基于凸包确定推力器列表的控制分配方法，所采用的技术方案主要包含以下步骤：

步骤一、根据推力器安装构型，基于凸包确定最优推力器组合表；

步骤二、由期望控制力矩T_c，结合离线确定的预装定数据，利用法向量判定方法，确定最优推力器组合；

其中，预装定数据是指需要预先计算出来并存储在星载计算机中的数据。主要包括：(1)最优推力器组合表；(2)各推力器组合围成多锥形体的锥面法向量；(3)各象限中包含的推力器组合；(4)给出T_c属于各最优推力器组合围成区域的内部时所应满足的条件；

步骤三、根据推力器是否能够输出连续大小的推力，将推力器工作模式分为连续控制量输出模式以及离散开关控制模式，若为连续控制量输出模式，则转至步骤四，否则转至步骤五；

步骤四、推力器为连续控制量输出模式时，根据最优推力器组合所对应的控制效率矩阵A_i，利用伪逆法确定各推力器的分配量，若超出推力输出能力范围，则利用其上下限值进行修正；

步骤五、推力器为全开和全关控制模式时，确定推力器组合中推力器的数目为n,给出2ⁿ中可能的推力器开关状态组合，并计算2ⁿ种不同开关状态组合下，推力器所能产生的力矩T_i，选择出分配误差最小所对应的开关状态；

步骤一中基于凸包确定最优推力器组合表的具体步骤为：

步骤a、由推力器的安装构型，确定各推力器产生的力矩(力)矢量集合为M；