过驱动轮控卫星的动态控制分配方法

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaJuIy252011VOI．32No．71260—1268ISSN1000-6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxb．bu柏．edu．cnrlI(xb@buaa．e由．cn文章编号：1000一6893(20n)07—1260一09过驱动轮控卫星的动态控制分配方法张世杰1’*，赵亚飞1，陈闽1，曹喜滨1，贺亮21．哈尔滨工业大学卫星技术研究所，黑龙江哈尔滨1500802．上海市空间智能控制技术重点实验室，上海200233摘要：反作用飞轮在卫星姿态控制中具有重要作用，配置3个以上飞轮的卫星构成

2、一类过驱动系统，能够提高姿态控制系统的可靠性。针对期望控制力矩到冗余飞轮的指令分配问题，提出了一种基于伪逆法的动态控制分配方法，并针对传统伪逆法难以考虑飞轮最大力矩等物理约束问题，采用零空间方法对传统伪逆法给出的分配结果进行了修正。基于稳定控制模式下姿态变化平稳性假设，在分配问题中增加飞轮输出力矩的最大变化量约束，能够有效抑制姿态控制中敏感器噪声影响，剔除敏感器野值，提高了卫星姿态控制精度。最后对本文提出的修正伪逆法及降低敏感器噪声和野值剔除效果等进行了数学仿真验证，结果表明了上述方法的可行性和有效性。关键词：过驱动卫星；姿态控制；反作用飞轮；动态控制分配；修正伪逆法中图分类

3、号：V448．22文献标识码：A反作用飞轮(ReactionWheel，RW)是卫星高精度姿态控制的重要执行机构，为确保控制系统的可靠性，目前常采用由3个以上反作用飞轮构成的冗余配置方案[1]。在飞轮冗余配置情况下期望控制力矩的分配方案并不唯一[2]，但目前常采用安装矩阵求伪逆等固定分配方案，难以充分发挥冗余飞轮的功效。控制分配(ControlAllocation)是从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，使执行机构的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[3]。目前，在控制分配研究方面取得了众

4、多成果，主要的控制分配方法有广义逆法、直接分配法和数学规划法等n巧]。控制分配方法作为一种先进的冗余控制设计技术，为冗余执行机构的动态分配提供了一条有效解决途径“≈]。近年来，随着对卫星姿态控制精度和效率等要求的不断提高，如何将期望控制力矩实时、有效地分配到各飞轮成为高性能卫星控制系统设计时亟需解决的重要问题，引起了诸多学者关注。Queen[9]等针对飞轮和推力器联合进行姿态控制问题进行研究，在燃料消耗和电源功耗等最优的目标下，推导最优姿态控制算法。Hall[1叼等针对卫星姿态跟踪机动，提出了飞轮和推力器联合控制策略，以实现快速性和跟踪精度等目标最优。上述研究都可看做是控制分

5、配方法在卫星姿态控制领域应用的雏形。Yoonhyuk[113等明确引入控制分配算法，用以解决由于姿态敏感器误差所导致的飞轮控制指令急剧变化，以及单个飞轮最大力矩等受限情况下增强卫星快速姿态机动能力等问题[”]。Hanspeter[”3等提出了一种以所有飞轮牧稿日期：2010．09-29；退修日期：20”-01-06：录用日期：2011．05．10基金项目：国家自然科学基金(60704020)；高等学校博士学科专项科研基金(20070213068)*通讯作者．Tel．：0451—86402357E椭¨；sjzh钔g@hjledu．∞弓I用格式I张世杰·赵亚飞．睬阚．等．过驱动轮

6、控卫星的动态控翻分配方法CJ]．航空学摄．20¨．32(7)；1268．1268．Zh8ngsh．j-e．z瞻oYafei·chenM{n·eta

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9、ilew娃h砌咖treact．‘，nwhBels￡∞．ActaA8啪ut}∞etAstn，剐ti∞slni曲．201l，32(7)

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11、260．1268．张世杰等：过驱动轮控卫星的动态控制分配方法功耗2范数最优为目标的冗余反作用飞轮动态分配算法。上述研究结果初步验证了采用动态控制分配方法能够充分发挥冗余飞轮的功效，不但能够实时、有效地分配期望控制力矩，

12、在卫星姿态控制方面也具有潜在的优势，可以解决部分问题。一般情况下，姿态敏感器(如陀螺、磁强计等)不可避免地存在测量噪声，甚至可能发生故障出现测量野值，有可能导致卫星姿态控制性能降低，对于微小卫星常采用的低性能敏感器更为严重。由于闭环姿态控制系统的误差传递特性，敏感器测量误差或测量野值将会导致飞轮控制指令出现跳变等问题，可以在冗余飞轮动态分配时增加相应约束，优化冗余飞轮的指令分配，从而抑制敏感器测量噪声或剔除野值。本文以冗余飞轮实时优化分配问题为研究背景，采用具有算法简单、运算效率高、适用于卫星在轨应用的