CN103029851B - 一种参数自整定伪速率调制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种参数自整定伪速率调制器，属于推力器脉冲调制技术领域。包括常规伪速率调制器、模糊逻辑系统模块和数据处理模块；所述的模糊逻辑系统模块由两个查表形式的模糊逻辑系统组成。本发明的两个模糊逻辑系统分别实现根据控制精度、干扰力矩、系统噪声等对伪速率调制器开阈值和滞环宽度的实时动态调节，可在确保控制精度的同时降低喷气消耗；本发明的模糊调节规则的核心是基于自然语言描述的规则组合，避免了常规伪速率调制器设计中参数试凑和反复调试带来的巨大工作量；本发明的两个模糊逻辑系统采用查表形式表示规则库，物理意义直观，工程实现便捷。

Description

一种参数自整定伪速率调制器

技术领域

本发明涉及一种参数自整定伪速率调制器，属于推力器脉冲调制技术领域。背景技术

推力器(或称喷气发动机)是航天器上的重要执行机构。以推力器作为执行机构的喷气姿态控制系统一般采用恒定推力的开关式控制。除了部分基于最优控制原理和相平面分析技术的直接型开关控制外，在大多数应用场合尤其是地球同步轨道卫星轨道机动期间的姿态控制中，一般采用脉冲调制器将控制算法给出的信号转换为驱动推力器工作的脉冲信号。其中伪速率调制器(PseudoRate Modulator，简称PRM)和脉宽脉频调制器(Pulse Width Pulse FrequencyModulator，简称PWPFM)在航天器上应用最为广泛。PRM和PWPFM本质上是相同的，且可以相互转换。

伪速率调制器由一个前向环节(斯密特触发器)和一个反馈环节(一阶惯性环节)组成。其输入是控制量或姿态误差，输出是宽度和间隔随输入信号而改变的脉冲信号，待设计的参数包括施密特触发器的开阈值、关阈值(或滞环宽度)以及一阶惯性环节的增益系数、时间常数共4个参数。

现有的伪速率调制器都是固定参数伪速率调制器。这种固定参数伪速率调制器存在如下不足之处：1)参数固定，对系统的适应性不佳；2)作为一种强非线性环节，对其动态特性的分析非常困难，导致调制器参数的选择缺乏量化手段，在工程应用中通常只能结合经验和数学仿真来进行迭代设计。近年来有文献提出了利用Matlab等数值仿真软件对调制器参数进行离线寻优(参考文献：KrovelT D.Optimal tuning of PWPF modulator for attitude control.Master thesis ofNorwegian Univ.of Science&Technology，2005)。但这种离线寻优存在如下不足：1)只能给出参数的大致范围，且各参数对性能的影响往往存在矛盾；2)参数一旦设计好以后就是固定值，不能在线(实时)调整，因此对系统变化的适应性不强。

对于航天器喷气姿态控制而言，伪速率调制器中的一阶反馈环节通常与姿态控制律一同设计，其参数(K_m，T_m)通常不需要频繁调整，因此可将其取固定值。而开阈值h_on和滞环宽度d这两个参数对调制器的性能影响较大，因此考虑对这两个参数进行实时调整。由于h_off＝h_on-d，当开阈值h_on确定以后，对d的调节即等效于对关阈值h_off的调节。

因此，现有的固定参数伪速率调制器在适应性和工程应用的便利性方面都存在不足。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有伪速率调制器上述两方面的不足，提出一种参数自整定伪速率调制器，该调制器既可以提高伪速率调制器的系统适应能力、实现性能优化，又可以减轻参数选择过程中的仿真、试凑工作量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种参数自整定伪速率调制器，包括常规伪速率调制器、模糊逻辑系统模块和数据处理模块；

所述的常规伪速率调制器由一个前向环节即斯密特触发器和一个用于反馈的一阶惯性环节组成。常规伪速率调制器的输入是控制量或姿态误差，输出是宽度和间隔随输入信号而改变的脉冲信号，待设计的参数包括斯密特触发器的开阈值h_on、滞环宽度d、一阶惯性环节的增益系数K_m和时间常数T_m共4个参数。其中K_m和T_m不需要频繁调整，因此取固定值；h_on和d这两个参数对调制器的性能影响较大，因此利用模糊逻辑系统对这两个参数进行实时整定。

所述的模糊逻辑系统模块由两个查表形式的模糊逻辑系统组成，即模糊逻辑系统A和模糊逻辑系统B；

模糊逻辑系统A用于对开阈值h_on的动态调节，由模糊器A、模糊规则库A、模糊推理机A和解模糊器A组成；模糊器A的作用是将真值变量转换成模糊集合；解模糊器A的作用是将模糊集合还原成真值变量，模糊推理机A用于实现从输入域到输出域的非线性映射；模糊规则库A是模糊逻辑系统的核心，模糊规则库A的输入量有两个：目标姿态角θ_r和经过处理的等效角加速度ε；其输出量即开阈值为h_on；模糊规则库A用模糊规则表的形式描述，如表1所示；该表是根据理论分析以及工程经验综合获得，表1中符号含义：S表示小；M表示中；B表示大；S1表示较小；S2表示很小；B1表示较大；B2表示很大；

表1h_on的模糊调节规则

模糊逻辑系统B用于对滞环宽度d的动态调节，由模糊器B、模糊规则库B、模糊推理机B和解模糊器B组成；模糊器B的作用是将真值变量转换成模糊集合；解模糊器B的作用是将模糊集合还原成真值变量，模糊推理机B用于实现从输入域到输出域的非线性映射；模糊规则库B是模糊逻辑系统的核心，模糊规则库B的输入量有两个：与敏感器相关的等效噪声N_s和经过处理的等效角加速度ε；其输出量为滞环宽度d；模糊规则库B用模糊规则表的形式描述如表2所示；该规则表根据理论分析以及工程经验综合获得；表中符号含义同表1；

表2d的模糊调节规则

上述的模糊器A与模糊器B的原理和结构相同；模糊推理机A与模糊推理机B的原理和结构相同；解模糊器A与解模糊器B的原理和结构相同；

所述的数据处理模块的作用是根据敏感器类型和测量数据，处理得到等效角加速度ε和等效噪声N_s，作为模糊逻辑系统的输入；数据处理模块包括等效角加速度ε的获取和等效噪声N_s的获取，其中，等效角加速度ε是利用陀螺测量的角速度差分并剔野、滤波得到的；等效噪声N_s根据敏感器类型和一段时间内的测量数据统计均方差加权得到的；

模糊逻辑系统的输出的开阈值h_on和滞环宽度d作为常规伪速率调制器开阈值h_on和滞环宽度d的输入。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的两个模糊逻辑系统分别实现对伪速率调制器开阈值和滞环宽度的实时动态调节，当控制精度(反映为目标姿态角θ_r)、干扰力矩(反映为等效角加速度ε)、系统噪声(反映为等效噪声N_s)变化时，开阈值和滞环宽度能自动地随之变化，从而在确保控制精度的同时降低了喷气消耗，实现了伪速率调制器参数的在线自动优化，有效提高了伪速率调制器的性能；

(2)本发明的模糊调节规则的核心是基于自然语言描述的规则组合，避免了常规伪速率调制器设计中参数试凑和反复调试带来的巨大工作量；

(3)本发明的两个模糊逻辑系统采用查表形式表示规则库，物理意义直观，工程实现便捷。

附图说明

图1为本发明的组成示意图；其中虚线框部分即为本发明的参数自整定伪速率调制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

一种参数自整定伪速率调制器，如图1所示，包括常规伪速率调制器、模糊逻辑系统模块和数据处理模块；以地球同步轨道卫星的位置保持控制为例，做具体说明。

所述的常规伪速率调制器由一个前向环节即斯密特触发器和一个用于反馈的一阶惯性环节组成；常规伪速率调制器的输入是控制量或姿态误差，输出是宽度和间隔随输入信号而改变的脉冲信号，待设计的参数包括斯密特触发器的开阈值、关阈值(或滞环宽度)、一阶惯性环节的增益系数和时间常数共4个参数；

所述的模糊逻辑系统模块由两个查表形式的模糊逻辑系统组成，即模糊逻辑系统A和模糊逻辑系统B；

模糊逻辑系统A用于对开阈值h_on的动态调节，由模糊器A、模糊规则库A、模糊推理机A和解模糊器A组成；模糊器A的作用是将真值变量转换成模糊集合；解模糊器A的作用是将模糊集合还原成真值变量，模糊推理机A用于实现从输入域到输出域的非线性映射；模糊规则库A是模糊逻辑系统的核心，模糊规则库A的输入量有两个：目标姿态角θ_r和经过处理的等效角加速度ε；其输出量即开阈值为h_on；模糊规则库A用模糊规则表的形式描述，如表1所示；该表是根据理论分析以及工程经验综合获得，表1中符号含义：S表示小；M表示中；B表示大；S1表示较小；S2表示很小；B1表示较大；B2表示很大；

表1h_on的模糊调节规则

模糊逻辑系统B用于对滞环宽度d的动态调节，由模糊器B、模糊规则库B、模糊推理机B和解模糊器B组成；模糊器B的作用是将真值变量转换成模糊集合；解模糊器B的作用是将模糊集合还原成真值变量，模糊推理机B用于实现从输入域到输出域的非线性映射；模糊规则库B是模糊逻辑系统的核心，模糊规则库B的输入量有两个：与敏感器相关的等效噪声N_s和经过处理的等效角加速度ε；其输出量为滞环宽度d；模糊规则库B用模糊规则表的形式描述如表2所示；该规则表根据理论分析以及工程经验综合获得；表中符号含义同表1；

表2d的模糊调节规则

上述的模糊器A与模糊器B的原理和结构相同；模糊推理机A与模糊推理机B的原理和结构相同；解模糊器A与解模糊器B的原理和结构相同；

所述的数据处理模块的作用是根据敏感器类型和测量数据，处理得到等效角加速度ε和等效噪声N_s，作为模糊逻辑系统的输入；数据处理模块包括等效角加速度ε的获取和等效噪声N_s的获取，其中，等效角加速度ε是利用陀螺测量的角速度差分并剔野、滤波得到的；等效噪声N_s根据敏感器类型和一段时间内的测量数据统计均方差加权得到的；

模糊逻辑系统的输出的开阈值h_on和滞环宽度d作为常规伪速率调制器开阈值h_on和滞环宽度d的输入。

1)设计常规伪速率调制器由斯密特触发器和一阶惯性环节组成；包括斯密特触发器的开阈值、滞环宽度、一阶惯性环节的增益系数和时间常数共4个参数；其中，开阈值和滞环宽度由模糊逻辑系统的输出来实现；一阶惯性环节的增益系数k取1.0；时间常数Tm在0.3～3.0秒之间取值，如Tm＝1秒；

2)设计模糊逻辑系统，设计步骤如下：

A、确定输入、输出变量的论域并定义相应的模糊集

模糊逻辑系统A的输入为θ_r和ε、输出为h_on，θ_r、ε和h_on的论域分别为：

θ_r＝[0，0.24]，ε＝[0，1e-3]，h_on＝[0，0.24]；

θ_r、ε和h_on的模糊集分别为：

θ_r＝{S2，S1，M，B1，B2}

ε＝{S，M，B}

h_on＝{S2，S1，M，B1，B2}

模糊逻辑系统B的输入为ε和N_s、输出为d，ε、N_s和d的论域分别为：

ε＝[0，1e-3]，N_s＝[0，0.1]，d＝[0，0.16]

ε、N_s和d的模糊集分别为：

ε＝{S2，S1，M，B1，B2}

N_s＝{S，M，B}

d＝{S2，S1，M，B1，B2}

B、建立模糊规则库

模糊规则库用模糊规则表的形式描述，如表1和2所示；

C、确定变量θ_r、ε、N_s、h_on、d的隶属度函数

对θ_r、ε、N_s、h_on、d采用相同的隶属度函数；隶属度函数μ采用常规的三角形隶属度函数，其表达式如下：

$\mathrm{\μ}\left(x_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1-\frac{|x_i-c_i|}{b_i},& \mathrm{if}{x}_i\∈[c_i-b_i,c_i+b_i]\\ 0,& \mathrm{others}\end{array}\right.$

式中，x_i为输入量，c_i为论域中第i个均分点的值，b_i为可调参数。

D、设计模糊器A、模糊器B、模糊推理机A、模糊推理机B、解模糊器A与解模糊器B

模糊器A和模糊器B都采用单值模糊器，模糊推理机A和模糊推理机B采用Mamdani推理机，解模糊器A与解模糊器B采用中心平均解模糊器；

在Mamdani推理机中推理类型采用Mamdani模糊蕴含最小运算法，与(and)运算采用求交法(取小法)，或(also/or)运算采用求并法(取大法)，合成用最大-最小法；

3)设计数据处理模块。设计步骤如下：

A、将外围设备中敏感器陀螺测量的角速度差分并剔野、滤波，得到等效角加速度，计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}\left(k\right)=\frac{\mathrm{\ω}\left(k\right)-\mathrm{\ω}(k-1)}{{\mathrm{\ΔT}}_s}\·\frac{1}{\mathrm{\τs}+1}$

式中，ω(k)表示第k步的角速度测量值，单位为弧度，ΔT_s表示计算周期，单位为秒，τ表示一阶滤波器的时间常数，单位为秒；s表示拉普拉斯算子；

B、根据地球敏感器在设定时间段内如10min内的测量数据统计均方差加权计算等效噪声N_s，计算公式如下：

均值—— $\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_k$

均方差—— $\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_k-\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}})}^2}$

等效噪声——N_s＝βσ₀+(1-β)σ

式中，θ_k表示第k步的姿态角测量值，单位为弧度，σ₀表示敏感器的标称噪声，单位为弧度，β表示加权系数，β的范围为(0，1)，n为设定时间段内的采样步数。

在航天器姿态控制系统中的应用流程如下：航天器姿态控制律给出航天器的姿态控制量u，参数自整定伪速率调制器根据该控制量u、参考目标控制量θ_r以及敏感器输出的航天器姿态测量信息θ、ω，自动输出脉冲调制量p，p送给喷气推力器执行相应的喷气，从而实现对航天器姿态的闭环控制。

Claims (7)

1.一种参数自整定伪速率调制器，其特征在于：包括常规伪速率调制器、模糊逻辑系统模块和数据处理模块；

所述的常规伪速率调制器由一个前向环节即斯密特触发器和一个用于反馈的一阶惯性环节组成；常规伪速率调制器的输入是控制量或姿态误差，输出是宽度和间隔随输入信号而改变的脉冲信号，待设计的参数包括斯密特触发器的开阈值、关阈值或滞环宽度、一阶惯性环节的增益系数和时间常数；

所述的模糊逻辑系统模块由两个查表形式的模糊逻辑系统组成，即模糊逻辑系统A和模糊逻辑系统B；

模糊逻辑系统A由模糊器A、模糊规则库A、模糊推理机A和解模糊器A组成；模糊规则库A的输入量有两个：目标姿态角θ_r和经过处理的等效角加速度ε；其输出量为开阈值为h_on；模糊规则库A用模糊规则表的形式描述，如表1所示；

表1 h_on的模糊调节规则

模糊逻辑系统B由模糊器B、模糊规则库B、模糊推理机B和解模糊器B组成；模糊规则库B的输入量有两个：与敏感器相关的等效噪声N_s和经过处理的等效角加速度ε；其输出量为滞环宽度d；模糊规则库B用模糊规则表的形式描述如表2所示；

表2 d的模糊调节规则

表1和表2中，S表示小；M表示中；B表示大；S1表示较小；S2表示很小；B1表示较大；B2表示很大；

数据处理模块包括等效角加速度ε的获取和等效噪声N_s的获取，其中，等效角加速度ε是利用陀螺测量的角速度差分并剔野、滤波得到的；等效噪声N_s根据敏感器类型和一段时间内的测量数据统计均方差加权得到的；

模糊逻辑系统的输出的开阈值h_on和滞环宽度d作为常规伪速率调制器开阈值h_on和滞环宽度d的输入；

数据处理模块的设计步骤如下：

A、将外围设备中敏感器陀螺测量的角速度差分并剔野、滤波，得到等效角加速度，计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}\left(k\right)=\frac{\mathrm{\ω}\left(k\right)-\mathrm{\ω}(k-1)}{{\mathrm{\ΔT}}_s}\·\frac{1}{\mathrm{\τs}+1}$

式中，ω(k)表示第k步的角速度测量值，单位为弧度，ΔT_s表示计算周期，单位为秒，τ表示一阶滤波器的时间常数，单位为秒；s表示拉普拉斯算子；

B、根据地球敏感器在设定时间段内如10min内的测量数据统计均方差加权计算等效噪声N_s，计算公式如下：

均值—— $\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_k$

均方差—— $\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_k-\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}})}^2}$

等效噪声——N_s＝βσ₀+(1-β)σ

式中，θ_k表示第k步的姿态角测量值，单位为弧度，σ₀表示敏感器的标称噪声，单位为弧度，β表示加权系数，β的范围为(0，1)，n为设定时间段内的采样步数。

2.根据权利要求1所述的一种参数自整定伪速率调制器，其特征在于：模糊器A与模糊器B的原理和结构相同；模糊推理机A与模糊推理机B的原理和结构相同；解模糊器A与解模糊器B的原理和结构相同。

3.根据权利要求1所述的一种参数自整定伪速率调制器，其特征在于：一阶惯性环节的增益系数k＝1.0；时间常数Tm在0.3～3.0秒之间取值。

4.根据权利要求1所述的一种参数自整定伪速率调制器，其特征在于：模糊逻辑系统的输入、输出变量的论域和相应的模糊集：

模糊逻辑系统A的输入为θ_r和ε、输出为h_on，θ_r、ε和h_on的论域分别为：

θ_r＝[0，0.24]，ε＝[0，1e-3]，h_on＝[0，0.24]；

θ_r、ε和h_on的模糊集分别为：

θ_r＝{S2，S1，M，B1，B2}

ε＝{S，M，B}

h_on＝{S2，S1，M，B1，B2}

模糊逻辑系统B的输入为ε和N_s、输出为d，ε、N_s和d的论域分别为：

ε＝[0，1e-3]，N_s＝[0，0.1]，d＝[0，0.16]

ε、N_s和d的模糊集分别为：

ε＝{S2，S1，M，B1，B2}

N_s＝{S，M，B}

d＝{S2，S1，M，B1，B2}。

5.根据权利要求1所述的一种参数自整定伪速率调制器，其特征在于：模糊逻辑系统的变量θ_r、ε、N_s、h_on、d采用相同的隶属度函数，隶属度函数采用三角形隶属度函数；其表达式如下：

$\mathrm{\μ}\left(x_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1-\frac{|x_i-c_i|}{b_i},& \mathrm{if}{x}_i\∈[c_i-b_i,c_i+b_i]\\ 0,& \mathrm{others}\end{array}\right.$

式中，x_i为输入量，c_i为论域中第i个均分点的值，b_i为可调参数。

6.根据权利要求1所述的一种参数自整定伪速率调制器，其特征在于：模糊逻辑系统的模糊器A和模糊器B都采用单值模糊器，模糊推理机A和模糊推理机B采用Mamdani推理机，解模糊器A与解模糊器B采用中心平均解模糊器。

7.根据权利要求6所述的一种参数自整定伪速率调制器，其特征在于：在Mamdani推理机中推理类型采用Mamdani模糊蕴含最小运算法，与运算采用求交法，取小法，或运算采用求并法取大法，合成用最大-最小法。