專利名稱：基于積分分離的遞階飽和pid控制器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種遞階飽和PID控制器的控制方法。
背景技術(shù)：
敏捷衛(wèi)星的應(yīng)用中存在的一個(gè)關(guān)鍵詞就是控制器的設(shè)計(jì)，良好的控制器能使系統(tǒng)的超調(diào)量很小，過(guò)度過(guò)程時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)誤差小，控制精度高。一般的，在遞階飽和PID控制器中加入積分項(xiàng)，是為了提高系統(tǒng)型別，消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。但在過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅增減設(shè)定值時(shí)、短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使算得的控制量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大輸出能力對(duì)應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的震蕩，這是實(shí)際應(yīng)用中不允許出現(xiàn)的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決加入積分項(xiàng)的遞階飽和PID控制器會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使算得的控制量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大輸出能力對(duì)應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的震蕩的問(wèn)題，從而提供一種基于積分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法?；诜e分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法，該控制方法的控制對(duì)象是敏捷衛(wèi)星航天器，下面稱敏捷衛(wèi)星航天器為星體，所述控制方法包括如下步驟步驟一根據(jù)星體實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q和星體目標(biāo)四元數(shù)Q。，計(jì)算出偏差向量e ;步驟二 根據(jù)星 體坐標(biāo)系第i軸的最大控制加速度％、星體各軸最大轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和步驟一獲得的偏差向量e計(jì)算角速度約束系數(shù)Li ；步驟三根據(jù)步驟一獲得的偏差向量e確定積分分離系數(shù)矩陣β ;步驟四根據(jù)步驟二獲得的角速度約束系數(shù)Li與步驟三獲得的積分分離系數(shù)矩陣β計(jì)算帶有積分分離的遞階飽和PID控制器指令輸出力矩U。；步驟五根據(jù)控制力矩分配法則，計(jì)算實(shí)際的控制力矩Τ，通過(guò)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程求解星體的實(shí)際角速度ω ；步驟六根據(jù)步驟五所得星體的實(shí)際角速度ω，通過(guò)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算更新后的星體實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q，并根據(jù)該更新后的星體實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q對(duì)星體進(jìn)行控制，然后返回步驟一，實(shí)現(xiàn)對(duì)星體的循環(huán)控制。采用本發(fā)明基于積分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法的遞階飽和PID控制器適用于星體最大轉(zhuǎn)動(dòng)角速度受限和執(zhí)行系統(tǒng)力矩輸出飽和等約束條件的衛(wèi)星快速機(jī)動(dòng)的情況，能夠使系統(tǒng)不需要事先進(jìn)行軌跡規(guī)劃就可以完成快速激動(dòng)，既充分發(fā)揮遞階飽和PID控制器的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又去除了積分環(huán)節(jié)的不利影響，實(shí)現(xiàn)了良好的控制效果。


圖1為基于積分分離的遞階飽和PID控制器的原理圖；圖2為基于積分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法流程圖；圖3為基于積分分離的遞階飽和PID控制器所述的星體坐標(biāo)系示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1-2說(shuō)明本具體實(shí)施方式
，基于積分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法，該控制方法的控制對(duì)象是敏捷衛(wèi)星航天器，下面稱敏捷衛(wèi)星航天器為星體，所述控制方法包括如下步驟步驟一根據(jù)星體實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q和星體目標(biāo)四元數(shù)Q。，計(jì)算出偏差向量e ;步驟二 根據(jù)星體坐標(biāo)系第i軸的最大控制加速度％、星體各軸最大轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和步驟一獲得的偏差向量e計(jì)算角速度約束系數(shù)Li ；步驟三根據(jù)步驟一獲得的偏差向量e確定積分分離系數(shù)矩陣β ;步驟四根據(jù)步驟二獲得的角速度約束系數(shù)Li與步驟三獲得的積分分離系數(shù)矩陣β計(jì)算帶有積分分離的遞階飽和PID控制器指令輸出力矩U。；步驟五根據(jù)控制力矩分配法則，計(jì)算實(shí)際的控制力矩Τ，通過(guò)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程求解星體的實(shí)際角速度ω ；步驟六根據(jù)步驟五所得星體的實(shí)際角速度ω，通過(guò)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算更新后的星體實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q，并根據(jù)該更新后的星體實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q對(duì)星體進(jìn)行控制，然后返回步驟一，實(shí)現(xiàn)對(duì)星體的循環(huán)控制。所述PID 為比例(Proportion)、積分(Integration)、微分(Differentiation)控制器，是工業(yè)控制應(yīng)用中的反饋回路部件。
具體實(shí)施方式
二、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一不同的是所述步驟一根據(jù)實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q和目標(biāo)四元數(shù)Q。，計(jì)算出偏差向量e的方法如下實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q的形式如下
權(quán)利要求
1.基于積分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法，其特征在干，該控制方法的控制對(duì)象是敏捷衛(wèi)星航天器，下面稱敏捷衛(wèi)星航天器為星體，所述控制方法包括如下步驟 步驟ー根據(jù)星體實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q和星體目標(biāo)四元數(shù)Q。，計(jì)算出偏差向量e ; 步驟ニ 根據(jù)星體坐標(biāo)系第i軸的最大控制加速度ち、星體各軸最大轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 和步驟ー獲得的偏差向量e計(jì)算角速度約束系數(shù)Li ； 步驟三根據(jù)步驟一獲得的偏差向量e確定積分分離系數(shù)矩陣3 ； 步驟四根據(jù)步驟ニ獲得的角速度約束系數(shù)Li與步驟三獲得的積分分離系數(shù)矩陣3計(jì)算帶有積分分離的遞階飽和PID控制器指令輸出カ矩U。； 步驟五根據(jù)控制カ矩分配法則，計(jì)算實(shí)際的控制カ矩T，通過(guò)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程求解星體的實(shí)際角速度《 ; 步驟六根據(jù)步驟五所得星體的實(shí)際角速度《，通過(guò)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算更新后的星體實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q，井根據(jù)該更新后的星體實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q對(duì)星體進(jìn)行控制，然后返回步驟一，實(shí)現(xiàn)對(duì)星體的循環(huán)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于積分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法，其特征在于所述步驟ー根據(jù)實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q和目標(biāo)四元數(shù)Q。，計(jì)算出偏差向量e的方法如下 實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q的形式如下
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于積分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法，其特征在于所述步驟ニ 根據(jù)步驟一獲得的偏差向量e、星體最大控制加速度ai和最大轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 Jmax計(jì)算角速度約束系數(shù)Li的方法如下
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于積分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法，其特征在于所述步驟三中所述的根據(jù)偏差向量e確定積分分離系數(shù)矩陣P的方法為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于積分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法，其特征在于所述步驟四根據(jù)步驟ニ獲得的角速度約束系數(shù)Li與步驟三獲得的積分分離系數(shù)矩陣^計(jì)算帶有積分分離的遞階飽和PID控制器指令輸出カ矩U。采用如下方法
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于積分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法，其特征在于所述步驟五根據(jù)控制カ矩分配法則，計(jì)算實(shí)際的控制カ矩T，通過(guò)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程求解星體的實(shí)際角速度《采用如下方法 根據(jù)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程得
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于積分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法，其特征在于所述步驟六中的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為
全文摘要
基于積分分離的遞階飽和PID控制器的控制方法，涉及一種遞階飽和PID控制器的控制方法，解決加入積分項(xiàng)的遞階飽和PID控制器會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使算得的控制量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大輸出能力對(duì)應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的震蕩的問(wèn)題。根據(jù)實(shí)時(shí)在臺(tái)四元數(shù)Q和目標(biāo)四元數(shù)Qc，計(jì)算出偏差向量e；根據(jù)星體最大控制加速度ai、最大轉(zhuǎn)動(dòng)角速度|ωi|max和步驟一獲得的偏差向量e計(jì)算角速度約束系數(shù)Li，同時(shí)根據(jù)偏差向量e確定積分分離系數(shù)矩陣β；結(jié)合角速度約束系數(shù)Li與積分分離系數(shù)矩陣β計(jì)算輸出力矩uc；分別通過(guò)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程與姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解星體的實(shí)際角速度ω與更新后的反饋實(shí)時(shí)姿態(tài)四元數(shù)Q。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于對(duì)航天器的控制系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G05B11/42GK103034121SQ20131001438
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者孫兆偉, 楊云剛, 王峰, 曹喜濱, 潘小彤, 李冬柏, 龐博, 李太平, 寧明峰, 岳程斐 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)