一种新型抗干扰姿态控制电路解算系统

本发明涉及一种新型抗干扰姿态控制电路解算系统，适用于航天器姿态系 统的高精度控制。

随着航天器高精度、长寿命、高可靠性的发展趋势，航天器机构越来越复 杂，航天任务的需求对姿态测量和控制精度要求越来越高，因此对于航天器姿 态控制系统的精度提出了更高的要求。航天器入轨后，需要相对于惯性系统或 者其他参考系以一定的精度保持在预定的方位或者指向上。航天器在轨飞行过 程中，将受到各种外部的太空环境干扰力矩的作用，如重力梯度力矩、气动力 矩、太阳辐射压力矩、空间碎片撞击力矩以及磁力矩等；还有来自星体内部干 扰力矩，包括传感器测量误差、执行机构振动干扰及系统本身的结构影响等。

来自航天器系统内、外部的干扰和自身模型参数的变化，严重影响航天器 姿态控制的精度和稳定度，现有的姿态控制算法广泛使用的是基于反馈控制算 法，在面对日益复杂的空间环境，面对多种不同类型干扰时，已经愈发的难以 满足更加精确，难度更大的姿态控制。

此外航天工程是一项高风险、高投入、高度复杂而又高精度的系统工程， 为了降低投入以及风险，仿真成为一个不可或缺的环节。在各类仿真中，综合 花费与仿真效果，半物理仿真已经成为最主要的仿真验证方式。通过地面的半 物理仿真测试，来验证航天器的各个子系统及相关控制算法的有效性。现有地 面半物理仿真系统，姿态确定模块、姿态控制模块及执行机构部分连线均采用 有线方式，在进行地面验证时会带来诸多不便，有线方式接线复杂，容易发生 连线错误，增加调试难度；同时为了模拟航天器真实环境，需要使用气浮台等 设备，在使用有线方式连接时，无法便捷的将关键信息传输至远端的上位机， 无法进行更有效的测试与验证。

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有简单结构、 通讯便捷的硬件解算模块，并融合了抗干扰姿态控制算法，实现低成本、高控 制精度以及高可靠性的新型抗干扰姿态控制电路解算系统。

本发明的技术解决方案是：一种新型抗干扰姿态控制电路解算系统，其由 硬件电路和抗干扰姿态控制算法构成；硬件组成部分包括嵌入式微处理器、存 储器单元、复位单元、通讯单元、外扩电源单元、电源单元、时钟单元、外扩 I/O单元及调试单元；所述嵌入式微处理器实现电路内部的信号调理及抗干扰 姿态控制算法的解算功能；所述存储器单元包括随机存储器和外扩存储器，随 机存储器用于抗干扰姿态控制电路解算系统上电时的程序运行与数据处理，外 扩存储器用于掉电时应用程序的保存；所述复位单元具有掉电复位、上电复位 及手动复位三种功能，既能够用于嵌入式微处理器中抗干扰姿态控制算法的调 试，也可以在嵌入式微处理器中抗干扰姿态控制算法脱机运行过程中，当电路 中电源电压超出设定的安全阈值时，自动进行复位，保证本发明抗干扰姿态控 制电路解算系统正常运行；所述通讯单元包括串口通讯单元和无线通讯单元， 通讯单元用于测试及应用过程中，在不同场合下使用有线及无线方式进行数据 传输，其中无线通讯单元用于与远端的上位机进行连接，既能够进行关键信息 的传输、存储以及监视的功能，也能够通过上位机更好的测试和验证抗干扰姿 态控制电路解算系统中运行的抗干扰姿态控制算法；所述外扩电源单元具有不 同大小的电压输出能力，用于给本发明系统中其它外部硬件设施供电；所述电 源单元用于提供本发明系统中各类芯片正常工作的电压；所述时钟单元包括快 慢两种晶振电路，分别为本发明系统中各类芯片提供不同类型的时钟信号；所 述外扩I/O单元用于外接其他外设单元，增加扩展性；所述调试单元用于应用 程序的下载与调试；

抗干扰姿态控制算法由离散干扰观测器和反馈控制器构成，其中离散干扰 观测器针对姿态控制系统中执行机构振动等可建模干扰进行估计，反馈控制器 对姿态控制系统中建模误差、参数不确定性及空间环境力矩等不可建模干扰进 行抑制，复合分层抗干扰姿态控制器完成对干扰的补偿与抑制。

所述的抗干扰姿态控制算法由嵌入式微处理器进行解算，具体包括一种由 离散干扰观测器和反馈控制器构成的复合分层抗干扰姿态控制器，具体实现如 下：

针对姿态控制系统中包含的执行机构振动等可建模干扰，建模误差、参数 不确定性及空间环境力矩等不可建模干扰，其中姿态控制系统面临的一类主要 的干扰为执行机构振动等可建模干扰，可以表征为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_0\left(k\right)=\mathrm{Vw}\left(k\right)\\ w(k+1)=\mathrm{Ww}\left(k\right)+H_2\delta \left(k\right)\end{array}\right.$

其中，d0(k)表示第k时刻姿态控制系统中存在的执行机构振动等可建模干扰， w(k)为第k时刻可建模干扰的状态变量，w(k+1)为第k+1时刻可建模干扰的状 态变量，V为可建模干扰的输出矩阵，W表示可建模干扰的系统矩阵，δ(k)为 第k时刻干扰子系统中的执行机构干扰建模误差以及参数不确定性产生的干扰 信号，H2为不可建模随机干扰的增益；

对于上述可建模干扰，设计离散干扰观测器，对干扰的估计表征为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{d}}_0\left(k\right)=V\hat{w}\left(k\right)\\ \hat{w}\left(k\right)=v\left(k\right)-\mathrm{Lx}\left(k\right)\\ v(k+1)=(W+{\mathrm{LH}}_{0}V)(v\left(k\right)-\mathrm{Lx}\left(k\right))+L(\mathrm{Gx}\left(k\right)+H_{0}u\left(k\right))\end{array}\right.$

其中，为离散干扰观测器在第k时刻对姿态控制系统中含有的执行机构振
动可建模干扰d₀(k)的估计值，为第k时刻可建模干扰的状态变量的估计
值，v(k)为引入的辅助变量在第k时刻对应的值，x(k)为姿态控制系统在第k时
刻的状态变量，v(k+1)为引入的辅助变量在第k+1时刻对应的值，u(k)为第k时
刻复合分层抗干扰姿态控制器的输出，G和H₀为参数已知的姿态控制系统系数
矩阵，L为离散干扰观测器的增益；

在完成干扰估计基础上，设计复合分层抗干扰姿态控制器，控制律为：

$u\left(k\right)=\mathrm{Kx}\left(k\right)-{\hat{d}}_0\left(k\right)$

其中，K为反馈控制器增益，Kx(k)为第k时刻反馈控制器的输出。反馈控制器 增益K与离散干扰观测器增益L由matlab中线性矩阵不等式工具箱（LMI  Toolbox）求解所得。

本发明的原理是：当姿态控制系统执行机构存在干扰时，输出的控制力矩 将无法按照控制输入进行正常输出，会降低姿态控制精度。本发明硬件电路模 块中运行的抗干扰姿态控制算法除了反馈控制器外，融合了离散干扰观测器， 通过姿态控制系统状态对干扰进行估计，并通过复合分层抗干扰姿态控制器对 干扰进行抵消。通过本发明的硬件电路接收姿态信号，并通过嵌入式微处理器 完成干扰的估计解算，最后将复合分层抗干扰姿态控制器的控制信号通过串口 传输至下一级执行机构，提高了干扰环境下系统姿态控制精度，使得姿态控制 变得更加精确。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明所采用的电路结构除了传统的用于信号传输的串口通讯单元 外，外扩了无线通讯单元。相对于已有的控制器模块，能够通过无线单元与远 端的上位机进行连接，既可以进行关键信息的传输、存储以及监视的功能，也 可以通过上位机能够更好的测试和验证控制模块。

（2）本模块中运行的抗干扰姿态控制算法，既包括了目前已有姿态控制 器中常用的反馈控制算法，同时引入一种离散干扰观测器，通过将两种控制器 进行融合，构造复合分层抗干扰姿态控制器，使新控制器能够对系统中的执行 机构振动干扰及空间环境力矩干扰等进行有效补偿与抑制，能够提升姿态控制 系统的控制精度。

（3）本发明特别适用于航天器姿态系统的高精度控制，通过新型的抗干 扰姿态控制电路与姿态控制算法，使得航天器能够具有抗干扰能力，能够更精 确的控制系统姿态，执行更精确的任务，满足姿态系统高精度的要求。

图1为本发明的抗干扰姿态控制电路解算系统硬件结构组成框图；

图2为本发明的抗干扰姿态控制算法流程图。

以微纳卫星中的姿态控制系统为例，以PID控制器作为反馈控制器，与离 散干扰观测器共同构成复合分层抗干扰姿态控制器来进行抗干扰姿态控制。

如图1所示，本发明硬件组成部分包括嵌入式微处理器1、存储器单元2、 复位单元3、通讯单元4、外扩电源单元5、电源单元6、时钟单元7、外扩I/O 单元8及调试单元9；所述嵌入式微处理器1主要实现电路内部的信号调理及 抗干扰姿态控制算法的解算功能；所述存储器单元2包括随机存储器21和外 扩存储器22，随机存储器21用于抗干扰姿态控制电路解算系统上电时的程序 运行与数据处理，外扩存储器22用于掉电时应用程序的保存；所述复位单元3 具有掉电复位、上电复位及手动复位三种功能，既可以用于程序调试，也可以 在程序脱机运行过程中，当电路中电源电压超出设定的安全阈值时，自动进行 复位，保证电路正常运行；所述通讯单元4包括串口通讯单元41和无线通讯 单元42，通讯单元用于测试及应用过程中，在不同场合下使用有线及无线方式 进行数据传输，其中无线通讯单元42用于与远端的上位机进行连接，既可以 进行关键信息的传输、存储以及监视的功能，也可以通过上位机能够更好的测 试和验证解算模块及控制算法；所述外扩电源单元5具有不同大小的电压输出 能力，用于给模块中其它外部硬件设施供电；所述电源单元6用于提供解算模 块中各类芯片单元正常工作的电压；所述时钟单元7包括快慢两种晶振电路， 分别为解算模块中的各类芯片提供不同类型的时钟信号；所述外扩I/O单元8 用于外接其他外设单元，增加扩展性；所述调试单元9用于抗干扰姿态控制应 用程序的下载与调试。

如图2所示，给出了本发明抗干扰姿态控制算法的流程图，首先需要构建 含有多源干扰的离散系统动力学模型，其次依次设计离散干扰观测器及反馈控 制器，在本实施例中反馈控制器以PID控制器为例，复合反馈控制器与离散干 扰观测器，构造复合分层抗干扰姿态控制器，最后通过matlab中线性矩阵不等 式工具箱（LMI Toolbox）求解离散干扰观测器和反馈控制器的增益，完成抗 干扰姿态控制算法的设计。具体实施步骤如下：

1、构建离散系统状态空间模型

由于本算法是运行在权利要求1中的硬件资源上的，因此需要构建离散化 的系统。通过构建离散系统，确定对应的系数矩阵，便于程序的编写。

针对含有执行机构振动等可建模干扰，以及包含空间环境力矩、建模误差 及参数不确定性等不可建模随机干扰的含多源干扰的姿态控制系统，搭建其对 应的离散状态空间模型如∑1表示：

${\Sigma }_1:\left\{\begin{array}{c}x(k+1)=\mathrm{Gx}\left(k\right)+H_0(u\left(k\right)+d_0\left(k\right))+H_1{d}_1\left(k\right)\\ y\left(k\right)=C_{0}x\left(k\right)\end{array}\right.$

式中，x(k+1)为第k+1时刻姿态控制系统的状态变量，x(k)为第k时刻姿态控 制系统的状态变量，y(k)为姿态控制系统在第k时刻的输出变量，u(k)为复合分 层抗干扰姿态控制器在第k时刻的输出，d0(k)为姿态控制系统在第k时刻存在 的执行机构振动等可建模干扰；d1(k)为姿态控制系统在第k时刻存在的空间环 境力矩等不可建模随机干扰，G、H0、H1和C0为参数已知的姿态控制系统系 数矩阵，姿态系统中的执行机构振动等可建模干扰d0(k)由下列离散化后的模型 ∑2表示：

${\Sigma }_2:\left\{\begin{array}{c}{d}_0\left(k\right)=\mathrm{Vw}\left(k\right)\\ w(k+1)=\mathrm{Ww}\left(k\right)+H_2\delta \left(k\right)\end{array}\right.$

式中，w(k)为第k时刻可建模干扰的状态变量，w(k+1)为第k+1时刻可建模干 扰的状态变量，V为可建模干扰的输出矩阵，W表示可建模干扰的系统矩阵， δ(k)为第k时刻干扰子系统中的执行机构干扰建模误差以及参数不确定性产生 的干扰信号，H2为不可建模随机干扰的增益。

2、复合分层抗干扰姿态控制器的设计

本实施例中，复合分层抗干扰姿态控制器包括PID控制器和离散干扰观测 器。对于整个姿态控制系统而言，通过PID反馈控制算法对姿态控制系统存在 的空间环境力矩、建模误差及参数不确定性等不可建模随机干扰进行抑制，通 过离散干扰观测器对姿态控制系统存在的执行机构振动等可建模干扰进行估 计，最后通过复合分层抗干扰姿态控制器予以补偿达到消除干扰的目的。

针对姿态控制系统∑1中的空间环境力矩等不可建模干扰d1(k)，选用PID控 制器对其进行干扰抑制。本发明的抗干扰姿态控制电路解算系统接收的姿态信 息包括姿态角偏差和姿态角速度偏差。

$\mathrm{Kx}\left(k\right)=K_{P}e\left(k\right)+K_I\underset{i=0}{\overset{k}{\Sigma }}e\left(i\right)+K_D\phi \left(k\right)$

式中，K为PID控制器的控制增益矩阵；x(k)为第k时刻姿态解算单元接收的 系统状态；Kx(k)为第k时刻PID控制器的输出；e(k)为第k时刻PID控制器接 收的姿态角偏差，φ(k)为第k时刻PID控制器接收的姿态角速度偏差；KP、KI 与KD分别对应PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。三者共同构成 了PID控制器增益矩阵K阵。

针对姿态控制系统∑₁中的执行机构振动等可建模干扰d₀(k)，设计离散干
扰观测器对其进行实时估计，并求得干扰估计值设计的离散干扰观测
器构型如∑₃所示：

${\Sigma }_3:\left\{\begin{array}{c}{\hat{d}}_0\left(k\right)=V\hat{w}\left(k\right)\\ \hat{w}\left(k\right)=v\left(k\right)-\mathrm{Lx}\left(k\right)\\ v(k+1)=(W+{\mathrm{LH}}_{0}V)(v\left(k\right)-\mathrm{Lx}\left(k\right))+L(\mathrm{Gx}\left(k\right)+H_{0}u\left(k\right))\end{array}\right.$

其中，为第k时刻可建模干扰的状态变量的估计值，v(k)为引入的辅助变
量在第k时刻对应的值，v(k+1)为引入的辅助变量在第k+1时刻对应的值，G和
H₀为参数已知的矩阵，L为离散干扰观测器的增益。

在完成干扰估计基础上，设计复合分层抗干扰姿态控制器，控制律为：

$u\left(k\right)=\mathrm{Kx}\left(k\right)-{\hat{d}}_0\left(k\right)$

3、求解离散干扰观测器和状态反馈控制器增益

使用matlab中线性矩阵不等式工具箱（LMI Toolbox），根据系统输出的精 度要求对离散干扰观测器和状态反馈控制器增益进行求解。

通过本复合分层抗干扰姿态控制器对应的控制律实现对姿态控制系统中 不同类型干扰的抑制与抵消，降低了回路中干扰对于姿态控制系统的影响，保 障姿态控制系统在一定干扰环境下，仍能够对姿态进行精确控制。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现 有技术。