[发明专利]一种基于飞轮输出偏差的抗干扰姿态控制方法及验证装置

权利要求书

1.一种基于飞轮输出偏差的抗干扰姿态控制方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，首先，建立飞行器系统动力学模型；

第二步，针对飞行器系统中存在的飞轮输出偏差设计飞轮输出偏差估计器及PID控制器；

飞轮输出偏差估计器为：

$\hat{d}\left(s\right)=Q\left(s\right)G^{-1}\left(s\right)Y\left(s\right)-Q\left(s\right)u\left(s\right)=Q\left(s\right)G^{-1}\left(s\right)G\left(s\right)\left(u\right(s)+d(s\left)\right)-Q\left(s\right)u\left(s\right)=Q\left(s\right)d\left(s\right)$

即采用Q(s)d(s)对飞轮输出偏差干扰d(s)进行估计，Q(s)与Q(s)G^-1(s)构成了飞轮输出偏差估计器；为飞轮输出偏差干扰的估计值，Y(s)为飞行器系统输出，表示为Y(s)＝G_uyu(s)+G_dyd(s)；

$G_{uy}=\frac{G\left(s\right)G_0\left(s\right)}{G_0\left(s\right)+Q\left(s\right)\[G\left(s\right)-G_0\left(s\right)\]}$

$G_{dy}=\frac{G\left(s\right)G_0\left(s\right)\[1-Q\left(s\right)\]}{G_0\left(s\right)+Q\left(s\right)\[G\left(s\right)-G_0\left(s\right)\]}$

其中，u(s)为控制输入，d(s)为飞轮输出偏差干扰，G_uy(s)为从输入到输出的闭环传递函数，G_dy(s)为从干扰到输出的闭环传递函数，G(s)为飞行器系统模型，G₀(s)为飞行器系统标称模型，Q(s)为滤波器，E_d(s)为干扰估计误差，表示为上述各式中的s代表飞轮输出偏差估计器基于频域设计；

飞轮输出偏差干扰类型为慢时变低频干扰，Q(s)设计为低通滤波器，即干扰估计的效果由滤波器Q(s)的设计决定；为了达到最优干扰估计效果，使Q(s)接近1，即E_d(s)接近0，达到抵消干扰的效果；

PID控制器为：G_c(s)为PID控制器中实现的传递函数；

采用PID控制方法进行反馈补偿，PID控制律为：

$T_c=K_p\mathrm{\Δ}m+K_d\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{m}+K_i{\∫}_0^t\mathrm{\Δ}mdt$

△m＝m_in-m_out

其中，K_p、K_i、K_d分别为比例增益、积分增益、微分增益；T_c为PID控制器的输出，△m为控制偏差，为控制偏差变化率，m_in为期望姿态角，m_out为输出姿态角；

第三步，将飞轮输出偏差估计器和PID控制器进行复合，实现基于飞轮输出偏差的抗干扰姿态控制；

所述第一步建立飞行器系统动力学模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{J}_x\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}\left(t\right)-w_0(J_x-J_y+J_z)\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}\left(t\right)+4w_0^2(J_y-J_z)\mathrm{\φ}\left(t\right)=u_x\left(t\right)+T_{dx}\left(t\right)\\ J_y\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)+3w_0^2(J_x-J_z)\mathrm{\θ}\left(t\right)=u_y\left(t\right)+T_{dy}\left(t\right)\\ J_z\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ψ}}\left(t\right)+w_0(J_x-J_y+J_z)\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}\left(t\right)+w_0^2(J_y-J_x)\mathrm{\ψ}\left(t\right)=u_z\left(t\right)+T_{dz}\left(t\right)\end{array}\right.$

其中，J_x,J_y,J_z分别为飞行器三轴转动惯量；φ(t),θ(t),ψ(t)分别为飞行器本体坐标系和轨道坐标系之间的三轴欧拉角,即滚转角、俯仰角和偏航角；分别为三轴姿态角速度；分别为三轴姿态角加速度；u_x(t),u_y(t),u_z(t)分别为三轴的控制力矩；T_dx(t),T_dy(t),T_dz(t)分别为三轴的干扰力矩；w₀为飞行器轨道角速度；

所述将飞轮输出偏差估计器和PID控制器进行复合如下：T_c为PID控制器的输出，为干扰的估计值，即飞轮输出偏差估计器的输出，u(s)是飞轮输出偏差估计器和PID控制器复合后得到的控制输入。