[发明专利]一种MEMS微推力阵列的负载均衡控制分配方法

说明书

本发明公开了一种MEMS微推力阵列的负载均衡控制分配方法，属于控制分配领域。首先将n个MEMS微推力器阵列布局安装在立体微纳卫星各个面上，结合每个MEMS固体微推力器阵列中的单位元冲量F计算最终的控制效率矩阵。然后设定混合优化目标函数，并转换成标准的线性规划模型。采用粗细两步分配法对线性规划模型进行求解，得到点火分配的各微推力器并进行点火；点火分配结束后，将使用过的微推力器在控制效率矩阵B中清零；同时，根据立体微纳卫星各个面上所有MEMS固体推力器阵列的消耗量，对各MEMS固体推力器阵列进行调姿，并更新矩阵；当下一次虚拟控制指令到达时，再进行微推力器的点火分配并更新。本发明具有推力分配精度、均衡度高和快速性的优势。

技术领域

本发明属于控制分配领域，涉及MEMS固体微推力器阵列推力分配的方法，具体是一种MEMS微推力阵列的负载均衡控制分配方法。

背景技术

MEMS固体微推力器阵列具有高度集成、功耗低、体积小、质量轻和结构简单的特点，见文献[1]:杨灵芝，魏延明，刘旭辉在2016年2月发表的《MEMS固体微推力器阵列发展研究》，公开了微纳卫星理想的控制执行机构。但是，由于MEMS微推力器集成度高和元冲量无法重复使用，给控制分配带来了很大的困难。微纳卫星在轨运行时，需求的控制力在各轴向的分布相差较大，推力分配的不均衡会出现少数位置的推力器承担主要的工作任务，在工作一定时间后，主要承担任务的推力器被完全消耗，很多机动以及轨道保持所需要的控制量无法被提供，导致微纳卫星整体工作寿命缩短。为此需要研发基于MEMS推力器阵列的负载均衡推力分配方法，以提高微纳卫星的工作寿命。

目前的过驱动航天器负载均衡控制分配技术，是以过驱动航天器的推力器控制分配误差最小以及推力器负载均衡等为设计目标来构建航天器推力分配混合优化模型，详见文献[2]；美国的Marc Bodson，Susan A.Frost在2009年8月发表的《CONTROL ALLOCATIONWITH LOAD BALANCING》，但仅能应用于推力连续且可重复使用的推力器。

而目前应用于MEMS推力阵列的控制分配算法是以精度为目标，采用了动态规划、基值组合算法或阵列规划分配算法。如文献[3]：刘旭辉，方蜀州，马红鹏，高庆丰在2012年1月发表的《基于固体微推力器阵列的卫星控制一体化算法》以及文献[4]：刘旭辉，方蜀州，刘书杰，罗莉，权恩在2011年7月发表的《微型姿控固体推力器阵列点火算法》，但是，上述的推力器负载均衡分配技术受制于MEMS推力阵列脉冲型和不可重复使用的特点，无法应用于MEMS推力器的点火分配。

目前已经存在的MEMS推力阵列分配技术均未考虑负载均衡的问题，导致出现微纳卫星的部分推力器承担主要的工作任务，会引起MEMS推力阵列的药量浪费，进而导致微纳卫星工作寿命缩短。

发明内容

本发明针对上述两个问题，提出了一种MEMS微推力阵列的负载均衡控制分配方法，解决了MEMS微推力阵列这种不可重复使用的推力器的负载均衡分配问题，提高了微纳卫星的在轨寿命。

具体步骤如下：

步骤一、将n个MEMS微推力器阵列布局安装在立体微纳卫星各个面上，结合每个MEMS固体微推力器阵列中的单位元冲量F计算最终的控制效率矩阵。

布局是指：在立方体微纳卫星每个面的4个顶角分别各安装一个MEMS固体微推力器阵列；每个MEMS固体微推力器阵列中包括若干微推力器；每个微推力器的推力为单位元冲量F。

基础的控制效率矩阵B_eq表示为：

A_p为n个MEMS固体微推力器阵列产生的单位推力矢量构成的矩阵；