CN112591149A - 周期性干扰力矩辨识及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种周期性干扰力矩辨识及补偿方法，用于对卫星所受周期性干扰力矩进行相位辨识及力矩补偿，对卫星施加定幅值、已知周期的控制力矩，对卫星上力矩补偿飞轮发送前馈补偿力矩指令，任意指定补偿力矩的初始相位，包括：实时测量卫星角速度并提取角速度波动变化范围；当所述角速度波动变化范围大于第一预设阈值时，判定需要进行相位移动控制，以初始相位为起点进行相位扫描，在相位扫描过程中，根据当前相位更新前馈补偿力矩；当所述角速度波动变化范围降低到第二预设阈值时，判定结束相位移动控制，当前相位即为干扰力矩相位，根据干扰力矩相位更新前馈补偿力矩。本发明可以实现对卫星的周期性干扰力矩进行辨识和补偿，提高卫星控制精度。

Description

周期性干扰力矩辨识及补偿方法

技术领域

本发明涉及航天器技术领域，特别涉及一种周期性干扰力矩辨识及补偿方法。

背景技术

随着航天任务的不断发展，卫星所具备的功能也越来越多，控制系统设计对卫星的控制精度、姿态稳定度的要求也越来越高。对于卫星上某些大型的转动部件，在其高速转动时，由于质心偏移的存在，卫星会受到周期性的干扰力矩，该力矩会一定程度上影响卫星姿态稳定度。同时，若干扰力矩的频率与星上挠性附件某些频率接近时，可能会引起挠性附件的振动，对卫星带来更大的干扰。

因此，需要提供一种可根据卫星在轨信息精确辨识周期性干扰力矩的方法，实现精确补偿，提高卫星控制精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种周期性干扰力矩辨识及补偿方法、电子设备及可读存储介质，以实现对卫星周期性干扰力矩进行辨识和补偿，提高卫星控制精度。

为达到上述目的，本发明提供一种周期性干扰力矩辨识及补偿方法，用于对卫星所受周期性干扰力矩进行相位辨识及力矩补偿，对卫星施加定幅值、已知周期的控制力矩，对卫星上力矩补偿飞轮发送前馈补偿力矩指令，任意指定补偿力矩的初始相位，包括：

S1、实时测量卫星角速度并提取角速度波动变化范围；

S2、当所述角速度波动变化范围大于第一预设阈值时，判定需要进行相位移动控制，以所述初始相位为起点进行相位扫描，在相位扫描过程中，根据当前相位更新前馈补偿力矩；

S3、当所述角速度波动变化范围降低到小于第二预设阈值时，判定结束相位移动控制，当前相位即为干扰力矩相位，根据所述干扰力矩相位更新前馈补偿力矩；其中，所述第二预设阈值小于所述第一预设阈值。

进一步的，在上述周期性干扰力矩辨识及补偿方法中，S2中相位扫描包括：以所述初始相位为起点，按给定方向以定步长改变相位，实现相位的单调递增或单调递减：

采用以下公式计算当前相位φ(k)：φ(k)＝φ(k-1)+P_dirΔφ；

式中，φ(k-1)为上一相位，P_dir表示相位移动控制方向，Δφ为相位移动步长。

进一步的，在上述周期性干扰力矩辨识及补偿方法中，在S2相位扫描过程中，若所述角速度波动变化范围呈缩小趋势，则继续按当前相位扫描方向进行；反之，则反向进行。

进一步的，在上述周期性干扰力矩辨识及补偿方法中，在S2相位扫描过程中，每间隔预设时长判断所述角速度波动变化范围是否呈缩小趋势。

进一步的，在上述周期性干扰力矩辨识及补偿方法中，在S1中实时测量卫星的角速度提取角速度波动变化范围，包括：

以卫星的控制周期为采样间隔，对卫星的角速度进行采样；

对采样点进行堆栈式及平均化处理，获得角速度波动变化范围。

进一步的，在上述周期性干扰力矩辨识及补偿方法中，堆栈式及平均化处理包括：为连续N₁个采样点取角速度最大值和连续N₂个角速度最大值求平均值开辟固定的存储空间，即最新进入存储空间的数据挤掉存储空间内第一个进入的数据的位置。

进一步的，在上述周期性干扰力矩辨识及补偿方法中，在S2和S3中，采用以下公式计算前馈补偿力矩T_feedforward：

式中，A为所述控制力矩的幅值，T为所述控制力矩的周期，φ(k)为当前相位。

进一步的，在上述周期性干扰力矩辨识及补偿方法中，在S2和S3中，在向飞轮发送力矩指令时，对飞轮的摩擦力矩进行前馈补偿。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

利用试凑的思想和叠加的原理，对干扰力矩相位进行估计，以一定的步长移动补偿周期性干扰力矩的相位，并观察移动后卫星角速度的变化来确定是否达到补偿效果，可以在短时间内、采样数据较少的情况下实现对周期性干扰力矩的准确补偿。该方法简单可靠，适用于卫星在轨实时计算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明一实施例提供的周期性干扰力矩辨识及补偿方法的流程图；

图2为角速度包络提取曲线示意图；

图3为干扰力矩补偿前后卫星角速度曲线示意图；

图4a为无摩擦力矩补偿时飞轮的输出力矩与指令力矩曲线示意图；

图4b为有摩擦力矩补偿时飞轮的输出力矩与指令力矩曲线示意图；

图5为加入摩擦力矩补偿控制后的力矩补偿飞轮框图。

具体实施方式

以下结合附图1～5和具体实施方式对本发明提出的周期性干扰力矩辨识及补偿方法、电子设备及可读存储介质作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

本发明的核心思想在于提供一种卫星所受周期性干扰力矩的相位辨识及补偿方法，可应用于带有动静不平衡量较大且较高速转动部件的卫星。通过对速率陀螺测量出的卫星角速度进行最大包络提取并进行相位移动控制，可实现对干扰力矩相位的准确辨识；进一步的，对飞轮指令力矩进行摩擦力矩补偿，飞轮的输出力矩可以较好对干扰力矩进行补偿。此方法可有效的提高卫星的姿态稳定度，简单可靠，适用于卫星在轨实时计算。

下面首先本发明涉及的技术性内容进行介绍。

对周期性干扰力矩进行补偿，需同时具备以下两个条件：周期性干扰力矩能够被辨识、卫星上装有力矩补偿飞轮。

卫星姿态角速度可以反映出干扰力矩对卫星的影响，通过对速率陀螺采样角速度进行处理可以得到干扰力矩的必要信息(例如幅值、相位等)。陀螺噪声需远小于干扰力矩对卫星的影响，保证干扰力矩辨识的有效性。根据香农采样定理，陀螺采样频率(卫星控制周期对应频率)不小于干扰频率(干扰力矩周期对应频率)的2倍，可不失真的恢复干扰力矩周期性输入。

本发明提供的周期性干扰力矩辨识及补偿方法，用于对卫星所受周期性干扰力矩进行相位辨识及力矩补偿，对卫星施加定幅值、已知周期的控制力矩，对卫星上力矩补偿飞轮发送前馈补偿力矩指令，并任意指定补偿力矩的初始相位，通常初始相位设为0，当然也可以根据经验设置为其他数值。

如图1所示，本发明一实施例提供的周期性干扰力矩辨识及补偿方法，包括以下步骤：

S1：实时测量卫星角速度并提取角速度波动变化范围。

本实施例中，可通过速率陀螺实时测量卫星的角速度，以卫星的控制周期为采样间隔，对卫星的角速度进行采样；然后，再对采样点进行堆栈式及平均化处理，获得角速度波动变化范围。

其中，对采样点进行堆栈式及平均化处理，获得当前角速度波动幅值的具体方式如下：在每个控制周期，以进出栈的形式计算当前N₁个采样点的角速度最大值；对连续N₂个控制周期的角速度最大值求取平均值，得到当前角速度波动变化范围。需要注意的是，采样次数N₁乘以采样间隔(即控制周期)最好大于载荷转动周期的10倍。堆栈式及平均化处理的原理是：为连续N₁个采样点取角速度最大值和连续N₂个角速度最大值求平均值开辟固定的存储空间，即最新进入存储空间的数据挤掉存储空间内第一个进入的数据的位置。

具体而言，设输入的角速度信号为ω(i),i＝1,2,...∞，以卫星的控制周期为采样间隔，采样N₁次求取其最大值，得到当前拍k(即当前控制周期k)的角速度最大值：

注意，这里ω_max(k)是以进出栈的形式计算的，也是以控制周期进行更新的。接下来对连续N₂拍的ω_max(k)求平均值，即

得到当前角速度波动变化范围。对连续N₂个最大值求平均，可有效的防止由于陀螺噪声带来的计算误差影响相位移动控制的判断结果。

图2示出了根据速率陀螺测量的角速度提取出的角速度包络曲线，该曲线反映了角速度波动变化范围。

S2：当所述角速度波动变化范围大于第一预设阈值时，判定需要进行相位移动控制，以所述初始相位为起点进行相位扫描，在相位扫描过程中，根据当前相位更新前馈补偿力矩。

S3、当所述角速度波动变化范围降低到小于第二预设阈值时，判定结束相位移动控制，当前相位即为干扰力矩相位，根据所述干扰力矩相位更新前馈补偿力矩；其中，所述第二预设阈值小于所述第一预设阈值。

在更新前馈补偿力矩后，向飞轮发送力矩指令，飞轮根据所述力矩指令输出力矩，进而实现对卫星施加补偿力矩。

可以理解的是，相位移动控制并不需要一直施加，只需要在角速度波动幅值大于一定值时加入。具体的，若当前角速度波动变化范围大于第一预设阈值，则开始进行相位移动控制；若当前角速度波动变化范围小于第二预设阈值，则结束相位移动控制。

具体而言，可采用滞回比较器的形式判断是否加入相位移动控制，通过设置合适的角速度阈值，决定是否进行相位移动控制。例如，设置第一预设阈值ω₁和第二预设阈值ω₂，ω₁＞ω₂。如果当前角速度波动变化范围大于ω₁则开始进行相位移动控制，如果角速度波动变化范围小于ω₂则结束相位移动控制。

具体的，在S2中相位扫描包括：以所述初始相位为起点，按给定方向以定步长改变相位，实现相位的单调递增或单调递减；

采样以下公式计算当前相位φ(k)：φ(k)＝φ(k-1)+P_dirΔφ；

式中，φ(k-1)为上一相位，P_dir表示相位移动控制方向，Δφ为相位移动步长。

优选的，在S2相位扫描过程中，若所述角速度波动变化范围呈缩小趋势，则继续按当前相位扫描方向进行；反之，则反向进行。可以理解的是，如果在相位扫描过程中，不进行判断当前相位移动控制方向是否正确，则有可能出现相位移动很长距离才能使补偿力矩产生有效作用的情况，此外在相位移动过程中也可能出现补偿力矩和干扰力矩极性完全相反，干扰力矩被放大的情况，进一步恶化整星的稳定度。

相位移动控制方向可以根据当前卫星角速度波动幅值的改变情况进行判断，如果角速度波动变化范围呈现增大的趋势，表明当前相位移动控制方向错误，则需要更改相位移动控制方向。通过角速度波动变化范围的变化趋势决定相位移动控制方向，缩短到达特定相位的时间。

优选的，可每间隔预设时长Ts判断所述角速度波动变化范围是否呈缩小趋势。Ts的选取会影响相位移动方向判断的准确性，如果Ts太小，容易出现相位振荡，反之则会出现较严重的滞后。

具体而言，设相位移动控制方向变量为P_dir，取值为1或-1，计数器变量为T_count，初值为零。在每一个控制周期内，如果当前卫星角速度波动变化范围较大，允行进行相位移动控制，则对T_count进行累加。

取前后两拍的角速度波动变化范围

和

计算角速度增量：

当Tcount＝Ts时，如果Δω_max＞0，则令P_dir＝-P_dir，Tcount＝0，否则，令P_dir＝P_dir，Tcount＝0。

在S2和S3中，具体的，可采用以下公式计算前馈补偿力矩T_feedforward：

式中，A为所述控制力矩的幅值，T为所述控制力矩的周期，φ(k)为当前相位。

此外，飞轮的指令力矩到输出力矩的传递函数为

由此可根据该传递函数G₁和前馈补偿力矩T_feedforward进一步计算得到飞轮的指令力矩，从而将前馈补偿力矩施加到所述力矩补偿飞轮上。

干扰力矩补偿前后卫星角速度曲线如图3所示，由图3可知，采用本发明的方法进行周期性干扰力矩的相位辨识及力矩补偿，能够在短时间内实现对周期性干扰力矩的准确补偿。

进一步的，考虑到飞轮转动时摩擦的存在，在S2和S3中，在计算飞轮指令力矩时，还需对摩擦力矩进行前馈补偿，使飞轮输出力矩更贴合设计输入，补偿效果更好。

具体的，为补偿飞轮摩擦力矩，再加入一个力矩的PI控制器，抵消摩擦力矩的影响，并引入飞轮转速反馈控制，其传递函数为

加入该PI控制器后的框图如图5所示。图4a、图4b分别示出了无摩擦力矩补偿和有摩擦力矩补偿时飞轮的输出力矩与指令力矩曲线，由图4a、图4b可知，对飞轮的指令力矩进行摩擦力矩补偿后，飞轮输出的控制力矩可以较好对干扰力矩进行补偿。

综上所述，本发明提供的一种周期性干扰力矩辨识及补偿方法，利用试凑的思想和叠加的原理，对干扰力矩相位进行估计，以一定的步长移动补偿周期性干扰力矩的相位，并观察移动后卫星角速度的变化来确定是否达到补偿效果，可以在短时间内、采样数据较少的情况下实现对周期性干扰力矩的准确补偿。该方法简单可靠，适用于卫星在轨实时计算。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种周期性干扰力矩辨识及补偿方法，用于对卫星所受周期性干扰力矩进行相位辨识及力矩补偿，对卫星施加定幅值、已知周期的控制力矩，对卫星上力矩补偿飞轮发送前馈补偿力矩指令，任意指定补偿力矩的初始相位，其特征在于，包括：

S1、实时测量卫星角速度并提取角速度波动变化范围；

S2、当所述角速度波动变化范围大于第一预设阈值时，判定需要进行相位移动控制，以所述初始相位为起点进行相位扫描，在相位扫描过程中，根据当前相位更新前馈补偿力矩；

S3、当所述角速度波动变化范围降低到小于第二预设阈值时，判定结束相位移动控制，当前相位即为干扰力矩相位，根据所述干扰力矩相位更新前馈补偿力矩；其中，所述第二预设阈值小于所述第一预设阈值。

2.如权利要求1所述的周期性干扰力矩辨识及补偿方法，其特征在于，S2中相位扫描包括：以所述初始相位为起点，按给定方向以定步长改变相位，实现相位的单调递增或单调递减；

采用以下公式计算当前相位φ(k)：φ(k)＝φ(k-1)+P_dirΔφ；

式中，φ(k-1)为上一相位，P_dir表示相位移动控制方向，Δφ为相位移动步长。

3.如权利要求2所述的周期性干扰力矩辨识及补偿方法，其特征在于，在S2相位扫描过程中，若所述角速度波动变化范围呈缩小趋势，则继续按当前相位扫描方向进行；反之，则反向进行。

4.如权利要求3所述的周期性干扰力矩辨识及补偿方法，其特征在于，在S2相位扫描过程中，每间隔预设时长判断所述角速度波动变化范围是否呈缩小趋势。

5.如权利要求1所述的周期性干扰力矩辨识及补偿方法，其特征在于，在S1中实时测量卫星的角速度提取角速度波动变化范围，包括：

以卫星的控制周期为采样间隔，对卫星的角速度进行采样；

对采样点进行堆栈式及平均化处理，获得角速度波动变化范围。

6.如权利要求5所述的周期性干扰力矩辨识及补偿方法，其特征在于，堆栈式及平均化处理包括：为连续N₁个采样点取角速度最大值和连续N₂个角速度最大值求平均值开辟固定的存储空间，即最新进入存储空间的数据挤掉存储空间内第一个进入的数据的位置。

7.如权利要求1所述的周期性干扰力矩辨识及补偿方法，其特征在于，在S2和S3中，采用以下公式计算前馈补偿力矩T_feedforward：

式中，A为所述控制力矩的幅值，T为所述控制力矩的周期，φ(k)为当前相位。

8.如权利要求1所述的周期性干扰力矩辨识及补偿方法，其特征在于，在S2和S3中，在向飞轮发送力矩指令时，对飞轮的摩擦力矩进行前馈补偿。

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