JP2014153928A - Design method for gain scheduling controller - Google Patents

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卓 下村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a design method for a controller for a three-axial attitude control problem that globally secures stability and control performance.SOLUTION: A design method includes a characteristic formulation process of representing dynamic and kinematic characteristics of a system as an object of attitude control with a state equation based upon a linear parameter variable control theory; a simplification process of simplifying the state equation; and a design process of designing a gain scheduling controller based upon the simplified state equation. In the characteristic formulation process, the characteristics are represented with a state equation comprising a first partial coefficient matrix such that a coefficient matrix of a state variable changes with a scheduling variable related to a dynamic equation, a second partial coefficient matrix such that a coefficient matrix changes with a scheduling variable related to a kinematic equation, and a third partial coefficient matrix such that a coefficient matrix depends on neither of them. In the simplification process, parameter-dependent base conversion processing for performing base conversion on the state equation to convert the second partial coefficient matrix into a unit matrix is performed, and a state variable of a state equation after the processing is replaced with a virtual state quantity.

Description

この発明は、線形パラメータ可変制御理論に基づくゲインスケジューリング制御器の設計方法に関する。   The present invention relates to a design method of a gain scheduling controller based on a linear parameter variable control theory.

≪LPV制御理論≫
フィードバック制御を理論的に裏付ける自動制御理論として、まず、周波数領域で一入力一出力系を設計する古典制御理論が確立され、その後、状態変数を用い時間領域で多入力多出力系を設計する現代制御理論が確立された。現代制御理論では制御対象の系の動特性が線形時不変な状態方程式で表現されるが、実際の制御対象は非線形かつパラメータ依存であるため、理論と現実の乖離が問題となった。非線形かつパラメータ依存の系を制御対象とする場合、もはや一つのフィードバック制御器(以下、単にコントローラという)でそのすべての動作範囲をカバーすることは難しいことが多く、カバーできたとしても良好な性能が得られない。
≪LPV control theory≫
As an automatic control theory that theoretically supports feedback control, first, a classical control theory that designs a one-input one-output system in the frequency domain was established, and then a multi-input multi-output system designed in the time domain using state variables. Control theory was established. In modern control theory, the dynamic characteristics of the system to be controlled are expressed by a linear time-invariant state equation, but the actual control object is nonlinear and parameter-dependent, so the difference between theory and reality has become a problem. When a nonlinear and parameter-dependent system is to be controlled, it is often difficult to cover the entire operating range with a single feedback controller (hereinafter simply referred to as a controller). Cannot be obtained.

そこで、非線形要素を含む制御対象を扱う制御理論として線形パラメータ可変制御理論(Linear Parameter-Varying Control TheoryあるいはLPV制御理論)が提案された。LPV制御理論では、系の幾つかの可変パラメータに対して各パラメータの可変範囲の端点、即ち上限および下限において好適な特性を有するコントローラ(以下、端点コントローラ)を予め設計しておく。各端点で制御対象は線形系で表される。そして、線形制御理論を適用して各端点コントローラを設計する。   Therefore, a linear parameter-variable control theory (LPV control theory) has been proposed as a control theory for handling control objects including nonlinear elements. In the LPV control theory, a controller (hereinafter referred to as an end point controller) having suitable characteristics at the end points of the variable range of each parameter, that is, at the upper limit and the lower limit, for some variable parameters of the system is designed in advance. The control target is represented by a linear system at each end point. Then, each end point controller is designed by applying linear control theory.

端点コントローラが設計された系を対象としてフィードバック制御を実行する運用段階において、可変パラメータは時間の経過に伴って変動する。そこで、可変パラメータの値を逐次取得し、取得された可変パラメータの値に応じた好適なコントローラを算出する。この好適なコントローラは、端点コントローラの凸結合によって算出する。そうすると、時間の経過に伴う可変パラメータの変動に対応してコントローラのゲインが変化し、そのコントローラにより系が制御される。このように、可変パラメータの変化に応じてコントローラのゲインを変化させてシステムを制御する手法はゲインスケジューリング制御(Gain-Scheduled Control)と呼ばれ、可変パラメータはスケジューリング変数とも呼ばれる。LPV制御はゲインスケジューリング制御を実現するための一手法である。近年、種々の制御プラントにLPV制御の適用が検討されている。   In an operation stage in which feedback control is executed for a system in which the end point controller is designed, the variable parameter varies with time. Therefore, the value of the variable parameter is sequentially acquired, and a suitable controller corresponding to the acquired value of the variable parameter is calculated. This preferred controller calculates by the convex combination of end point controllers. Then, the gain of the controller changes corresponding to the change of the variable parameter with the passage of time, and the system is controlled by the controller. As described above, the method of controlling the system by changing the gain of the controller in accordance with the change of the variable parameter is called gain-scheduled control, and the variable parameter is also called a scheduling variable. LPV control is a technique for realizing gain scheduling control. In recent years, application of LPV control to various control plants has been studied.

現代制御理論では、通常制御対象が以下の式(1)でモデル化されることを前提とし、モデル化された系に対して式(2)のように状態変数をフィードバックするコントローラの設計手法を提供する。
ここで、xおよびuはベクトルであり、xは状態変数、uは系の入力である。また、A、BおよびKは係数行列である。式(1)は系の動特性を表す状態方程式であり、式(2)は、状態変数xを系の入力uにフィードバックするコントローラを表す。即ち、Kはコントローラのゲインである。
In modern control theory, assuming that the control target is usually modeled by the following equation (1), a controller design method that feeds back state variables to the modeled system as in equation (2) is used. provide.
Here, x and u are vectors, x is a state variable, and u is an input of the system. A, B, and K are coefficient matrices. Equation (1) is a state equation representing the dynamic characteristics of the system, and Equation (2) represents a controller that feeds back the state variable x to the input u of the system. That is, K is the gain of the controller.

これに対し、LPV制御理論では、通常制御対象が以下の式(3)でモデル化されるものとし、モデル化された系に対して式(4)のように状態変数をフィードバックするコントローラの設計手法を提供する(Apkarian, P., Gahinet, P.,and Becker, G., “Self-scheduled H∞ Control of Linear Parameter-Varying Systems: a Design Example,” Automatica, Vol. 31, No. 9, 1995, pp. 1251-1261参照)。
On the other hand, in LPV control theory, the control target is usually modeled by the following equation (3), and controller design that feeds back state variables to the modeled system as in equation (4) Apkarian, P., Gahinet, P., and Becker, G., “Self-scheduled H∞ Control of Linear Parameter-Varying Systems: a Design Example,” Automatica, Vol. 31, No. 9, 1995, pp. 1251-1261).

式(1)に対して式(3)は、係数行列Aがパラメータκに依存する点が異なる。同様に、式(2)に対して式(4)は、コントローラゲインKがパラメータκに依存する点が異なる。一般にκは複数のパラメータからなるベクトルである。κに応じてAが変化することが系の非線形かつパラメータ依存特性を表す。以下、式(3)の形式で表される系の動特性をLPVモデルまたはLPVシステム表現と呼ぶ。また、式(4)は、κに対応してKを変化させるゲインスケジューリング制御を表している。Aがκに応じて変わるなら、コントローラゲインKもκに応じて変えるのが合理的である。以下、ゲインスケジューリング制御によるコントローラであることを明確にするためにコントローラをGS制御器と表記することがある。   Expression (3) differs from expression (1) in that the coefficient matrix A depends on the parameter κ. Similarly, the equation (4) differs from the equation (2) in that the controller gain K depends on the parameter κ. In general, κ is a vector composed of a plurality of parameters. The change of A according to κ represents the nonlinear and parameter-dependent characteristics of the system. Hereinafter, the dynamic characteristic of the system expressed in the form of Equation (3) is referred to as an LPV model or LPV system expression. Equation (4) represents gain scheduling control for changing K in accordance with κ. If A changes according to κ, it is reasonable to change the controller gain K also according to κ. Hereinafter, in order to clarify that the controller is based on gain scheduling control, the controller may be referred to as a GS controller.

≪ポリトープ表現≫
LPV制御理論は、式(3)のLPVモデルおよびパラメータκの変動範囲が与えられたとき、好適なコントローラ、即ち式(4)のコントローラゲインK(κ)を決定する手法を提供する。コントローラゲインK(κ)を設計する上で重要な考え方について触れておく。
≪Polytope expression≫
The LPV control theory provides a method for determining a suitable controller, that is, the controller gain K (κ) of equation (4) given the LPV model of equation (3) and the variation range of parameter κ. Let us touch on an important concept in designing the controller gain K (κ).

κは一般に多次元の変数である。理解し易いように仮にκを式(5)のような3次元の変数とする。
κ is generally a multidimensional variable. For ease of understanding, let κ be a three-dimensional variable such as equation (5).

そして、κの各要素α,β,γがそれぞれとり得る最小値と最大値が分かっており、それぞれ、
であったとする。このとき、任意の点κは、α,β,γの3次元座標を考えたとき、各軸の座標値が式(6)を満たす六面体の中に存在する。そして、κは以下の式(7)のように、六面体の8つの頂点(端点)の凸結合の形式で表現できる。これをポリトープ(polytope、多面体)表現という。
And we know the minimum and maximum values that each element α, β, γ of κ can take,
Suppose that At this time, an arbitrary point κ exists in a hexahedron in which the coordinate values of each axis satisfy Equation (6) when the three-dimensional coordinates α, β, and γ are considered. Κ can be expressed in the form of a convex combination of the eight vertices (end points) of the hexahedron, as shown in Equation (7) below. This is called polytope (polyhedron) expression.

ここで、結合係数λiには、以下の関係が成立する。 Here, the following relationship is established for the coupling coefficient λ i .

以上のように、κが端点の凸結合で表現されるとき、式(3)の各行列A(κ)およびBは以下のようにポリトープ表現される。 As described above, when κ is expressed by the convex combination of the end points, each matrix A (κ) and B in Expression (3) is expressed as a polytope as follows.

式(3)で表される系は係数行列A (κ)がκに依存し、非線形かつパラメータ依存であったが、式(9)のようにポリトープ表現された制御プラントであれば線形パラメータ可変系として扱うことができる。 In the system represented by Equation (3), the coefficient matrix A (κ) depends on κ and is nonlinear and parameter-dependent. However, if the control plant is expressed as a polytope as in Equation (9), the linear parameter is variable. Can be treated as a system.

そして、係数行列A (κ)が式(9)のようにポリトープ表現できれば、8個の各端点における係数行列Ai毎にそれぞれ好適なコントローラゲインKiを予め求めておき、運用段階では各時刻におけるパラメータα,β,γに応じてλiを求め、求まったλiを用いてコントローラゲインKをKiの凸結合として算出し、その時刻におけるコントローラゲインK (κ)とすればよい。 Then, if the coefficient matrix A (κ) can be expressed as a polytope as shown in Equation (9), a suitable controller gain K i is obtained in advance for each coefficient matrix A i at each of the eight end points, and at the operation stage each time Λ i is obtained according to the parameters α, β, and γ, and the controller gain K is calculated as a convex combination of K i using the obtained λ i, and the controller gain K (κ) at that time may be obtained.

≪宇宙機の姿勢制御≫
近年、宇宙機の姿勢制御が広範な分野に亘って研究されてきた。それらは、MED(Momentum Exchange Deviceあるいは角運動量交換型デバイス。例えば、リアクションホイールあるいはコントロール・モーメント・ジャイロ)や外部トルク発生機(例えば、ガスジェットや磁気トルカ)のような数種類のアクチュエータを扱うものである。外部トルク発生機は、資源が限られたり、トルクが小さいといった短所を有する。よって、この発明は主として姿勢制御を実現するMEDに焦点を当てる。
≪Spacecraft attitude control≫
In recent years, attitude control of spacecraft has been studied over a wide range of fields. They deal with several types of actuators such as MED (Momentum Exchange Device or angular momentum exchange type devices, such as reaction wheels or control moment gyros) and external torque generators (eg gas jets or magnetic torquers). is there. External torque generators have the disadvantages of limited resources and low torque. Therefore, the present invention mainly focuses on MED that realizes attitude control.

宇宙機の姿勢制御を行う際、ほとんどの制御則がリアプノフ(Lyapunov)関数に基づいたものを利用している(例えば、非特許文献1〜3参照)。このような制御側を実装したコントローラは大域的な安定性を容易に保証できるが、制御性能を考慮した姿勢制御を実現できない場合がほとんどである。たとえば、Euler角を運動学パラメータとした場合、制御性能を考慮した制御則はほとんどなく、MRP(Modified Rodrigues Parameter、改良ロドリゲス・パラメータ)を運動学パラメータとしたとしても制御性能を十分考慮することは困難である。
このような問題を解決するため、いくつかの研究ではLPV制御理論を宇宙機の姿勢制御問題に適用してきた(例えば、非特許文献4〜6参照)。
When controlling the attitude of a spacecraft, most control laws use those based on the Lyapunov function (see, for example, Non-Patent Documents 1 to 3). A controller equipped with such a control side can easily guarantee global stability, but in most cases, attitude control considering control performance cannot be realized. For example, when Euler angles are used as kinematic parameters, there are few control laws that take control performance into account, and even if MRP (Modified Rodrigues Parameter) is used as a kinematic parameter, it is not possible to fully consider control performance. Have difficulty.
In order to solve such problems, some studies have applied LPV control theory to the spacecraft attitude control problem (see, for example, Non-Patent Documents 4 to 6).

Tsiotras, P., “Stabilization and Optimality Results for the Attitude Control Problem,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 19, No. 4, July−August, 1996, pp. 772-779.Tsiotras, P., “Stabilization and Optimality Results for the Attitude Control Problem,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 19, No. 4, July-August, 1996, pp. 772-779. Yoon, H., and Tsiotras, P., “Spacecraft Line-of-Sight Control Using a Single Variable-Speed Control Moment Gyro,” Journal of Guidance Control, and Dynamics, Vol. 29, No. 6, 2006, pp. 1295-1308.Yoon, H., and Tsiotras, P., “Spacecraft Line-of-Sight Control Using a Single Variable-Speed Control Moment Gyro,” Journal of Guidance Control, and Dynamics, Vol. 29, No. 6, 2006, pp. 1295-1308. Chub, H., and Lappas, V., J., “ Redundant Reaction Wheel Torque Distribution Yielding Instantaneous L2 Power-Optimal Attitude Control,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 32, No. 4, July−August, 2009, pp. 1269-1276.Chub, H., and Lappas, V., J., “Redundant Reaction Wheel Torque Distribution Yielding Instantaneous L2 Power-Optimal Attitude Control,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 32, No. 4, July-August , 2009, pp. 1269-1276. Kwon, S., Shimomura, T., and Okubo, H., “Pointing control of spacecraft using two SGCMGs via LPV modeling theory,” Acta Astronautica, Vol. 68, 2011, pp. 1168-1175.Kwon, S., Shimomura, T., and Okubo, H., “Pointing control of spacecraft using two SGCMGs via LPV modeling theory,” Acta Astronautica, Vol. 68, 2011, pp. 1168-1175. Yamamoto, Y., and Shimomura, T., “Attitude Control of Spacecraft with VSCMGs using LPV Modeling Technique,” SICE Annual Conference, August, Tokyo, Japan, 2011, pp. 1676-1681.Yamamoto, Y., and Shimomura, T., “Attitude Control of Spacecraft with VSCMGs using LPV Modeling Technique,” SICE Annual Conference, August, Tokyo, Japan, 2011, pp. 1676-1681. Gao, R., Ohtsubo, K., and Kajiwara, H., “LPV Design for a Space Vehicle Attitude Control Benchmark Problem,” SICE Annual Conference, August, Fukui, Japan, 2003, pp. 2764-2767.Gao, R., Ohtsubo, K., and Kajiwara, H., “LPV Design for a Space Vehicle Attitude Control Benchmark Problem,” SICE Annual Conference, August, Fukui, Japan, 2003, pp. 2764-2767.

しかし、これらの研究のほとんどは、指向制御問題などを取り扱っており(例えば、非特許文献4および5参照)、宇宙機の三軸姿勢制御をLPV制御理論を用いて実現した研究はほとんどない。LPV制御理論を用いて三軸姿勢制御を実現した研究(例えば、非特許文献6参照)でも、MEDを有する宇宙機を取り扱ったものではない。
本発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであり、複数のMEDを有する宇宙機の三軸姿勢制御問題をLPV制御理論を用いて実現することで、大域的安定性と制御性能を保証する制御器の設計を目的とする。ただし、本発明は宇宙機に限定されるものでなく、航空機、船舶、自動車、ロボット等、LPVモデルで表現される種々の制御対象に適用可能である。
However, most of these studies deal with the directional control problem (see, for example, Non-Patent Documents 4 and 5), and few studies have realized three-axis attitude control of spacecraft using LPV control theory. Even research that has achieved three-axis attitude control using LPV control theory (see, for example, Non-Patent Document 6) does not deal with spacecraft having MED.
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and by realizing the three-axis attitude control problem of a spacecraft having a plurality of MEDs using LPV control theory, global stability and control are achieved. The purpose is to design a controller that guarantees performance. However, the present invention is not limited to a spacecraft, and can be applied to various control objects represented by LPV models, such as aircraft, ships, automobiles, and robots.

この発明は、姿勢制御の対象となる系の動力学的および運動学的特性を線形パラメータ可変制御理論に基づく状態方程式で表す特性式化工程と、前記状態方程式を単純化する単純化工程と、単純化された状態方程式に基づいて状態フィードバックコントローラとしてのゲインスケジューリング制御器の設計を行う設計工程とを備え、前記特性式化工程は、状態変数の係数行列が動力学方程式に係るスケジューリング変数により変化する第1部分係数行列、運動学方程式に係るスケジューリング変数により変化する第2部分係数行列およびいずれのスケジューリング変数にも依存しない第3部分係数行列からなる状態方程式で系の特性を表し、前記単純化工程は、第2部分係数行列を単位行列に変換すべく前記状態方程式に対する基底変換を行うパラメータ依存基底変換処理と、そのパラメータ依存基底変換処理後の状態方程式における運動学方程式に関する状態変数を仮想状態量に置換することを特徴とするゲインスケジューリング制御器の設計方法を提供する。   The present invention includes a characteristic formulating step that expresses the dynamic and kinematic characteristics of a system subject to attitude control by a state equation based on a linear parameter variable control theory, a simplification step that simplifies the state equation, A design process for designing a gain scheduling controller as a state feedback controller based on a simplified state equation, wherein the characteristic formulating step changes a coefficient matrix of a state variable according to a scheduling variable related to a dynamic equation Representing the characteristics of the system by a state equation comprising a first partial coefficient matrix to be processed, a second partial coefficient matrix that varies depending on a scheduling variable related to a kinematic equation, and a third partial coefficient matrix that does not depend on any scheduling variable, The process performs a basis transformation on the state equation to convert the second partial coefficient matrix into a unit matrix. A parameter-dependent basis conversion process, provides a method of designing a gain scheduling controller, characterized by replacing state variables associated kinematic equations virtual state quantity in the state equation of the parameter-dependent post-basis conversion process.

この発明によるゲインスケジューリング制御器の設計方法によれば、単純化工程は、運動学方程式に関連する第2部分係数行列を単位行列に変換するパラメータ依存基底変換を行って基底変換後の運動学方程式に関する状態変数を仮想状態量に置換するので状態方程式が単純化され、その状態方程式に基づいたゲインスケジューリング制御器の設計が容易になる。即ち、スケジューリング変数が単純化工程により削減されるので、系の動力学的および運動学的特性が考慮された、大域的安定性と制御性能に優れたゲインスケジューリング制御器の設計が可能になる。   According to the design method of the gain scheduling controller according to the present invention, the simplification process performs the parameter-dependent basis transformation for transforming the second partial coefficient matrix related to the kinematic equation into a unit matrix and performs the kinematic equation after the basis transformation. Therefore, the state equation is simplified, and the design of the gain scheduling controller based on the state equation is facilitated. That is, since the scheduling variable is reduced by the simplification process, it becomes possible to design a gain scheduling controller excellent in global stability and control performance in consideration of dynamic and kinematic characteristics of the system.

本発明において、制御器設計を容易にするため「パラメータ依存基底変換」および「仮想状態量」という二つの新しい考え方を用いている。「パラメータ依存基底変換」は、第2部分係数行列を単位行列に変換するための基底変換である。「仮想状態量」は、基底変換後の運動学方程式に関する状態変数を状態方程式の係数行列の零空間に含まれる性質を利用して、状態方程式の両辺で微分積分の関係が成り立つ要素に置換したものである。これらを導入することで、本来の制御対象(運動学+動力学)をシンプルなLPVモデルとして取り扱うことが可能となり、制御器設計が非常に簡単になる。また、シンプルなLPVモデルに対して設計された制御器は、本来の制御プラントに対しても自動的に同等の安定性および制御性能を保証する。
この発明についてもう少し具体的に述べておく。
この発明において、系は、フィードバック制御の対象であり、具体例として宇宙機を初めとして航空機・船舶・自動車・ロボット等が挙げられるがこれらに限定されるものでなく、線形パラメータ可変制御理論に基づく状態方程式で特性が表現されるものに適用可能である。後述する実施形態においては、宇宙機の例を説明している。
線形パラメータ可変制御理論は非線形要素を含む制御対象を扱う制御理論として知られている。線形パラメータ可変制御理論に基づく状態方程式が与えられたとき、その系に対する状態フィードバックコントローラを設計する手法が知られているが、常に設計できるとは限らず、設計の可否は状態方程式の複雑さに依存し、特にスケジューリング変数の次元数に依存する。
この発明の特性式化工程、単純化工程および設計工程は全体として設計者により実行される。設計者は通常、各工程の処理を効率的に行うための道具としてコンピュータを使用する。特に、設計工程ではコンピュータが使用される。なお、一連の工程をコンピュータによって自動処理することも可能である。
In the present invention, two new concepts of “parameter-dependent basis transformation” and “virtual state quantity” are used to facilitate controller design. “Parameter-dependent basis conversion” is a basis conversion for converting the second partial coefficient matrix into a unit matrix. For the "virtual state quantity", the state variables related to the kinematic equation after basis transformation are replaced with elements that have a differential integral relationship on both sides of the state equation, using the properties included in the null space of the coefficient matrix of the state equation Is. By introducing them, the original control object (kinematics + dynamics) can be handled as a simple LPV model, and the controller design becomes very simple. Controllers designed for simple LPV models automatically guarantee the same stability and control performance for the original control plant.
This invention will be described more specifically.
In the present invention, the system is an object of feedback control, and specific examples include, but are not limited to, spacecraft, aircraft, ships, automobiles, robots, etc., and are based on linear parameter variable control theory. The present invention can be applied to those whose characteristics are expressed by a state equation. In the embodiments described later, examples of spacecraft are described.
The linear parameter variable control theory is known as a control theory that deals with a controlled object including nonlinear elements. When a state equation based on a linear parameter variable control theory is given, a method for designing a state feedback controller for the system is known. However, it is not always possible to design, and the possibility of design depends on the complexity of the state equation. Depends on the number of dimensions of the scheduling variable.
The characteristic formulation process, simplification process, and design process of the present invention are executed by the designer as a whole. A designer usually uses a computer as a tool for efficiently performing each process. In particular, a computer is used in the design process. It should be noted that a series of steps can be automatically processed by a computer.

この発明の実施形態に係るMEDの構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of MED which concerns on embodiment of this invention. この発明の実施形態に係る宇宙機のアクチュエータ配置の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the actuator arrangement | positioning of the spacecraft which concerns on embodiment of this invention. この発明により設計されたフィードバック系の数値シミュレーションの結果を示すグラフである。角速度の推移を示す。It is a graph which shows the result of the numerical simulation of the feedback system designed by this invention. It shows the transition of angular velocity. この発明により設計されたフィードバック系の数値シミュレーションの結果を示すグラフである。改良ロドリゲス・パラメータの推移を示す。It is a graph which shows the result of the numerical simulation of the feedback system designed by this invention. The transition of improved Rodriguez parameters is shown. この発明により設計されたフィードバック系の数値シミュレーションの結果を示すグラフである。ホイールのスピン速度の推移を示す。It is a graph which shows the result of the numerical simulation of the feedback system designed by this invention. It shows the transition of the spin speed of the wheel. この発明により設計されたフィードバック系の数値シミュレーションの結果を示すグラフである。制御入力(ホイール加速)の推移を示す。It is a graph which shows the result of the numerical simulation of the feedback system designed by this invention. Shows the transition of control input (wheel acceleration). 従来のフィードバック系の数値シミュレーションの結果を示すグラフである。角速度の推移を示す。It is a graph which shows the result of the numerical simulation of the conventional feedback system. It shows the transition of angular velocity. 従来のフィードバック系の数値シミュレーションの結果を示すグラフである。改良ロドリゲス・パラメータの推移を示す。It is a graph which shows the result of the numerical simulation of the conventional feedback system. The transition of improved Rodriguez parameters is shown. 従来のフィードバック系の数値シミュレーションの結果を示すグラフである。ホイールのスピン速度の推移を示す。It is a graph which shows the result of the numerical simulation of the conventional feedback system. It shows the transition of the spin speed of the wheel. 従来のフィードバック系の数値シミュレーションの結果を示すグラフである。制御入力(ホイール加速)の推移を示す。It is a graph which shows the result of the numerical simulation of the conventional feedback system. Shows the transition of control input (wheel acceleration).

以下、この発明の好ましい態様について説明する。
前記特性式化工程は、動力学方程式に係るスケジューリング変数をκ、運動学方程式に係るスケジューリング変数をσとするとき状態方程式
(ωおよびσは状態変数、uは系の入力、0はゼロ行列)
で系を表し、前記単純化工程は、式(10)の係数行列
のうち第2部分係数行列G(σ)を単位行列に基底変換する変換行列
を式(10)の両辺の左方に乗じて基底変換後の状態方程式
を導き、前記単純化工程は、式(13)の状態変数のうちG-1(σ)σを仮想状態量ζで置換してσを含まない状態方程式
を導くものであってもよい。
また、前記式(14)の仮想状態量ζに乗ぜられる各係数がゼロであってもよい。
さらにまた、状態変数ωは角速度であり、状態変数σは改良ロドリゲス・パラメータであってもよい。
σは、quaternion(クォータニオン)のベクトル部など他の運動学パラメータであってもよい。
また、前記ゲインスケジューリング制御器は、3個以上のアクチュエータにそれぞれフィードバックを行って三軸姿勢制御を行い、前記スケジュール変数はそれらアクチュエータの駆動量を機体固定座標の三軸方向成分に変換したものであってもよい。例えば、アクチュエータがリアクションホイールの場合、前記駆動量とはスピン角速度のことである。その場合、前記スケジュール変数はスピン角速度のベクトルを機体固定座標の三軸方向成分で表したものである。
さらにまた、単純化された状態方程式で表される系に対して設計されたゲインスケジューリング制御器を元の系に変換し元の系のゲインスケジューリング制御器を得る工程をさらに備えていてもよい。
この発明の好ましい態様は、ここで示した複数の態様のうち何れかを組み合わせたものも含む。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
The characteristic formulating step is a state equation where κ is a scheduling variable related to a dynamic equation and σ is a scheduling variable related to a kinematic equation.
(Ω and σ are state variables, u is the system input, and 0 is the zero matrix)
And the simplification step is a coefficient matrix of equation (10).
Conversion matrix for basis conversion of the second partial coefficient matrix G (σ) to unit matrix
Multiplied by the left side of both sides of equation (10)
And the simplification step replaces G −1 (σ) σ among the state variables of Equation (13) with a virtual state quantity ζ and does not include σ.
It may be what leads.
Further, each coefficient multiplied by the virtual state quantity ζ in the equation (14) may be zero.
Furthermore, the state variable ω may be an angular velocity, and the state variable σ may be an improved Rodrigues parameter.
σ may be another kinematic parameter such as a vector part of a quaternion.
Further, the gain scheduling controller performs three-axis attitude control by feeding back to three or more actuators, respectively, and the schedule variable is obtained by converting the drive amount of these actuators into the three-axis direction component of the airframe fixed coordinates. There may be. For example, when the actuator is a reaction wheel, the driving amount is a spin angular velocity. In that case, the schedule variable represents a vector of spin angular velocities by three-axis direction components of the aircraft fixed coordinates.
Furthermore, the method may further comprise the step of converting the gain scheduling controller designed for the system represented by the simplified equation of state into the original system to obtain the original system gain scheduling controller.
Preferred embodiments of the present invention include combinations of any of the plurality of embodiments shown here.

以下、図面を用いてこの発明をさらに詳述する。なお、以下の説明は、すべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。
この明細書の構成は以下のようになる。まず、この発明の前提として制御プラント(具体例はアクチュエータとして複数のMEDを有する宇宙機)の動力学方程式とMRPを用いた運動学方程式について説明を行う。続いて、前記宇宙機の三軸姿勢制御問題に対するLPVモデルを考える。その際、この発明の大きな特徴であるパラメータ依存基底変換および仮想状態量を用いることでシンプルなLPVモデルを得ることができることを示す。そして、そのLPVモデルを用いた数値シミュレーションを行い、従来法との比較を行う。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. In addition, the following description is an illustration in all the points, Comprising: It should not be interpreted as limiting this invention.
The structure of this specification is as follows. First, as a premise of the present invention, a dynamic equation of a control plant (specific example is a spacecraft having a plurality of MEDs as actuators) and a kinematic equation using MRP will be described. Next, consider the LPV model for the spacecraft three-axis attitude control problem. At that time, it is shown that a simple LPV model can be obtained by using parameter dependent basis transformation and virtual state quantity, which are major features of the present invention. Then, a numerical simulation using the LPV model is performed and compared with the conventional method.

≪動力学方程式・運動学方程式≫
〔動力学方程式〕
前述のように、実施形態では制御対象として宇宙機を取り扱う。前記宇宙機は剛体とし、図1に示すようなMEDをn個搭載しているものとする。宇宙機の機体に固定された機体固定座標系FBは直交ベクトル
で表現される。i番目のMEDの配置は図1のように直交する3つの単位ベクトル
≪Dynamic equation and kinematic equation≫
(Dynamic equation)
As described above, in the embodiment, a spacecraft is handled as a control target. It is assumed that the spacecraft is a rigid body and has n MEDs as shown in FIG. Body-fixed coordinate system F B which is fixed to the body of the spacecraft orthogonal vectors
It is expressed by The i-th MED is arranged in three orthogonal unit vectors as shown in Fig. 1.

で与えられる。第1番目の単位ベクトルはホイールのスピン軸、第2番目の単位ベクトルはジンバル軸、第3番目の単位ベクトルはスピン軸およびジンバル軸と直交する軸(トルク軸)方向のベクトルである。各MEDが同じ慣性モーメントをもつと仮定すると、宇宙機のもつ全角運動量Hは以下のように書ける。 Given in. The first unit vector is a wheel spin axis, the second unit vector is a gimbal axis, and the third unit vector is a vector in an axis (torque axis) direction orthogonal to the spin axis and the gimbal axis. Assuming that each MED has the same moment of inertia, the total angular momentum H of the spacecraft can be written as follows.

ここで、ωは宇宙機の角速度ベクトルであり、JはMEDを含む宇宙機全体の慣性テンソル、Iwsはスピン軸
に関するホイールの慣性モーメント、Icgはジンバル軸
に関するジンバル構造とホイールの慣性モーメントの和、
Where ω is the angular velocity vector of the spacecraft, J is the inertia tensor of the entire spacecraft including MED, and I ws is the spin axis
Wheel moment of inertia, I cg is the gimbal axis
The sum of the gimbal structure and the moment of inertia of the wheel,

は各MEDのホイールスピンレートを成分にもつベクトル、
は各MEDのジンバル角を成分にもつベクトルである。なお、この明細書で[]’は転置を表す。また、Gg,Gsは以下のように与えられる行列である。
Is a vector whose components are wheel spin rates of each MED,
Is a vector whose component is the gimbal angle of each MED. In this specification, [] 'represents transposition. G g and G s are matrices given as follows.

即ち、Ggは各MEDのジンバル軸方向の単位ベクトルを機体固定座標系FBの三軸で表し、それらを並べた3×n行列である。同様にGsは各MEDのスピン軸方向の各単位ベクトルをFBの三軸で表して並べた3×n行列である。これらは、アクチュエータに固定された座標系を機体固定座標系FBに変換する座標系変換行列といえる。
外乱トルクが作用していないとき、剛体宇宙機の動力学方程式は以下のように書ける。
That, G g represents the unit vector of the gimbal axis of the MED in three axes of body-fixed coordinate system F B, is a 3 × n matrix by arranging them. Similarly G s is 3 × n matrix by arranging expressed in three axes of each unit vector of the spin axis of the MED F B. These can be said to be a coordinate system conversion matrix for converting a coordinate system fixed to the actuator into a body fixed coordinate system F B.
When the disturbance torque is not acting, the dynamic equation of the rigid spacecraft can be written as

式(17)中のω×Hの項は、慣性系に対する宇宙機の機体軸の運動の影響を表している。ここで、x×は任意の3次元ベクトル
に対し、以下で定義される行列である。
The term ω × H in equation (17) represents the influence of the motion of the spacecraft axis on the inertial system. Where x × is any 3D vector
Is the matrix defined below.

式(18)で、オペレータ「×」は、任意の3次元ベクトルxを3×3行列に変換するオペレータとして定義されるが、その後に任意の3次元ベクトルyが続くとき、x×yの演算結果はベクトルxとyの外積に等しい。外積は2つのベクトル間の演算を規定するオペレータである点が、オペレータ「×」はこれを1つのベクトルに対するオペレータとして規定したものといえる。 In equation (18), the operator “x” is defined as an operator that converts an arbitrary three-dimensional vector x into a 3 × 3 matrix, but when an arbitrary three-dimensional vector y follows, the operation of x × y The result is equal to the outer product of the vectors x and y. The point that the outer product is an operator that defines an operation between two vectors, the operator “x” can be said to have defined this as an operator for one vector.

式(15)を式(17)に代入すると、
Substituting equation (15) into equation (17),

ここで、
は機体固定座標系FB上での微分を意味する。アクチュエータは、ジンバル軸
を中心に回転するので、アクチュエータに関連する項は次のように展開される。
here,
Means differentiation on the airframe fixed coordinate system F B. Actuator is a gimbal shaft
, The terms related to the actuator are expanded as follows.

ただし、 However,

は、ジンバルフレーム上、即ちアクチュエータに固定された座標系上での微分を意味する。上式第2行目の第2番目の項
は、機体に対するジンバル軸の運動の影響を表す。
Means differentiation on a gimbal frame, that is, on a coordinate system fixed to the actuator. Second term in the second row of the above formula
Represents the effect of gimbal motion on the aircraft.

上式の第2項目は、図1に示す
の関係から、第3行目のようになる。さらに、第3行目で、
から第4行目のようになる。第4行目のdiag[Ω]は、各MEDのホイールスピンレートΩ1〜Ωnを要素とする対角行列を表す。また、
を用いている。
The second item of the above formula is shown in FIG.
From the relationship, it becomes like the third line. In the third line,
From the fourth line. Diag [Ω] in the fourth row represents a diagonal matrix having wheel spin rates Ω 1 to Ω n of each MED as elements. Also,
Is used.

以上より、宇宙機の動力学方程式は、
と記述される。これを簡略化して以下の動力学方程式が得られる。
From the above, the dynamic equation of the spacecraft is
Is described. By simplifying this, the following dynamic equation is obtained.

ただし、上式では
の項は他の項と比較して十分小さいものとし省略した。ジンバル角δの2階微分の項が果たして十分小さいといえるのか疑問を抱くかもしれない。これついては、次のことがいえる。大半のアクチュエータは、元来リミッタを有しており、例えばCMG(Control Moment Gyro、コントロール・モーメント・ジャイロ)ではジンバル角加速度に自ずと上限がある。
However, in the above formula
This term is omitted because it is sufficiently small compared to other terms. You may be wondering if the term of the second derivative of the gimbal angle δ is really small. The following can be said about this. Most actuators originally have a limiter. For example, in CMG (Control Moment Gyro), there is an upper limit on the gimbal angular acceleration.

式(19)は、複数のMEDまたはSGVSCMG(Single-Gimbal Variable-Speed CMG、可変速度CMG)を搭載した宇宙機の動特性の一般化された記述である。式(19)で、
と置くこと(ジンバルのロックに対応)により、MEDがRW(Reaction Wheel、リアクションホイール)のときの動特性が得られる。同様に、
と置くこと(一定のホイールスピンレートに対応)により、MEDがCMGのときの動特性が得られる。
Equation (19) is a generalized description of the dynamic characteristics of a spacecraft equipped with multiple MED or SGVSCMG (Single-Gimbal Variable-Speed CMG). In equation (19),
(Corresponding to gimbal lock), dynamic characteristics when MED is RW (Reaction Wheel) can be obtained. Similarly,
(Corresponding to a constant wheel spin rate) provides dynamic characteristics when MED is CMG.

〔運動学方程式〕
続いて、LPVモデルで用いる運動学方程式について述べる。宇宙機の安定性は慣性系に対する機体の角速度ωをゼロに収束させて回転を止める問題、あるいは目標角速度ωrに収束させる問題に帰着する。動力学方程式を用いてωの挙動を解析できる。これに対し、姿勢制御は、機体が所定の姿勢になった状態で回転を止める問題、もしくは、変化し続ける目標姿勢角に姿勢を追従させる問題である。宇宙機の姿勢は、慣性座標系FIに対する機体固定座標系FBの方向で与えられる。機体固定座標系FBと慣性座標系FIのずれ、つまり宇宙機の姿勢を表現するには3次元のパラメータで十分である。実施形態では運動学パラメータ(姿勢パラメータ)として、MRPを用いる。ただし、この発明の本質はMRPに限定されるものでない。他の姿勢パラメータ、例えばCayley-Rodrigues Parameter(ケーリー・ロドリゲス・パラメータ)や4次元のquaternion(クォータニオン、Euler parameterともいう)、さらに、一般化ロドリゲスパラメータを用いる場合にもこの発明は適用できる。
[Kinematic equation]
Next, the kinematic equations used in the LPV model are described. Stability spacecraft problem stopping the rotation by converging the body of the angular velocity omega for inertial zero, or result in problems to converge to the target angular velocity omega r. The behavior of ω can be analyzed using dynamic equations. On the other hand, attitude control is a problem of stopping rotation while the aircraft is in a predetermined attitude, or a problem of causing the attitude to follow a changing target attitude angle. The attitude of the spacecraft is given by the direction of the body-fixed coordinate system F B against inertial frame F I. Aircraft deviation of the fixed coordinate system F B and the inertial coordinate system F I, i.e. to represent the attitude of the spacecraft is sufficient three-dimensional parameters. In the embodiment, MRP is used as a kinematic parameter (posture parameter). However, the essence of the present invention is not limited to MRP. The present invention can also be applied to other posture parameters such as Cayley-Rodrigues Parameter, 4-dimensional quaternion (also referred to as quaternion, Euler parameter), and generalized Rodrigues parameters.

Euler軸
および回転角θを用いると、MRPは以下のように表現できる(非特許文献1およびSchaub, H., and Junkins, J., L., “Analytical Mechanics of Space Systems,” AIAA Education Series, AIAA, Reston, VA, Oct. 2003参照)。
MRPに対して、特異点はθ=±2πのときだが、このような状態はトラッキング問題を除けば非常に起こりにくい。MRPを用いた場合の運動学方程式は以下のように書ける。
Euler axis
And rotation angle θ, MRP can be expressed as follows (Non-patent Document 1 and Schaub, H., and Junkins, J., L., “Analytical Mechanics of Space Systems,” AIAA Education Series, AIAA, Reston, VA, Oct. 2003).
For MRP, the singular point is when θ = ± 2π, but such a situation is very unlikely except for tracking problems. The kinematic equation when using MRP can be written as follows.

ただし
However,

また、G(σ)はθ=±2πの場合を除いて、逆行列:
をもつ。
式(21)は、宇宙機の角速度ωに対する姿勢パラメータσの時間変化を表している。
G (σ) is an inverse matrix except when θ = ± 2π:
It has.
Equation (21) represents the time change of the attitude parameter σ with respect to the angular velocity ω of the spacecraft.

≪LPVモデリングと制御器設計≫
〔LPVモデリング〕
式(19)からわかるように宇宙機の動力学方程式は非線形方程式であり、そのままLPV制御理論で取り扱うことは困難である。そこで、式(19)を平衡点
まわりに局所線形化し、以下のLPVシステムを得る。
≪LPV modeling and controller design≫
[LPV modeling]
As can be seen from Equation (19), the dynamic equation of the spacecraft is a non-linear equation and is difficult to handle as it is in LPV control theory. Therefore, Equation (19)
Linearize around and get the following LPV system.

まず、式(19)を変形し、
First, transform equation (19),

これに式(15)を代入すると、
平衡点まわりに局所線形化された条件下では、
であるから、これを上式に代入すると、左辺第1項目の小括弧内の第1および2項目はゼロになり、
Substituting equation (15) into this,
Under the condition of local linearization around the equilibrium point,
Therefore, if this is substituted into the above equation, the first and second items in parentheses in the first item on the left side will be zero,

となる。もしくは、式(3)の形式にあわせると以下のように書ける。
ただし
It becomes. Or it can be written as follows according to the form of equation (3).
However,

である。ここで、スケジューリングパラメータκはスピンレートΩとジンバル角δの関数である。なお、式(25)のAdおよびBdにδは陽に表われていないが、GsおよびGtを含んでいる。GsおよびGtはスピン軸方向およびトルク軸方向の単位ベクトルを機体固定座標系FBの三軸で表したものであるから機体に対するジンバル角δが変化すると値が変化する。よって、κはδの関数である。 It is. Here, the scheduling parameter κ is a function of the spin rate Ω and the gimbal angle δ. Note that δ is not explicitly expressed in A d and B d of the formula (25), but includes G s and G t . G s and G t is changed value when the gimbal angle δ is changed with respect to the machine body because it a representation in three-axis spin axis and the torque-axis direction of the unit vector a body-fixed coordinate system F B. Therefore, κ is a function of δ.

CMGやVSCMGをアクチュエータとして用いる場合、ジンバル角δを変化させるのでBd(κ)はスケジューリング変数κに依存する。Bd(κ)がκに依存する場合、ゲインスケジューリング制御を実施することが困難であるため、Pre-filterを挿入するなどする必要がある(Apkarian, P., Gahinet, P., and Becker, G., “Selfscheduled H∞ Control of Linear Parameter-varying Systems: A Design Example,” Automatica, Vol. 31, No. 9, 1995, pp. 1251-1261参照)。RWの場合、ジンバル角δは変化しないのでδの微分はゼロとなり、式(25)におけるBd(κ)のdiag「Ω」は消去される。よって、Bd(κ)は定数行列となり、スケジューリング変数に依存しない。実施形態では、後者の場合を取り扱う。この場合、宇宙機の動力学方程式は以下のように書ける。 When CMG or VSCMG is used as an actuator, since gimbal angle δ is changed, B d (κ) depends on scheduling variable κ. When B d (κ) depends on κ, it is difficult to implement gain scheduling control, so it is necessary to insert a pre-filter (Apkarian, P., Gahinet, P., and Becker, G., “Selfscheduled H∞ Control of Linear Parameter-varying Systems: A Design Example,” Automatica, Vol. 31, No. 9, 1995, pp. 1251-1261). In the case of RW, since the gimbal angle δ does not change, the δ derivative becomes zero, and the diag “Ω” of B d (κ) in the equation (25) is deleted. Therefore, B d (κ) is a constant matrix and does not depend on the scheduling variable. In the embodiment, the latter case is handled. In this case, the dynamic equation of the spacecraft can be written as

ただし、κ,σの動作領域をΚ,Σで表す。状態変数を
とすると、宇宙機の三軸姿勢制御問題の状態空間表現は以下で与えられる。
However, the operating region of κ and σ is represented by Κ and Σ. State variables
Then, the state space representation of the spacecraft three-axis attitude control problem is given below.

もしくは以下のように書ける。 Or you can write:

ただし、
である。
However,
It is.

式(28)で、ωおよびσはいずれも3次元のベクトルであるので式(29)のxは6次元のベクトルであり、Ωはn次元(前述のごとくnはMEDの数)のベクトルであるのでuはn次元のベクトルである。Ad(κ)およびG(σ)はそれぞれ3×3行列、Bdは3×n行列である。G(σ)は非線形ではあるが、凸包で覆うことができるので、式(3)に対応する式(29)はLPVモデルとして取り扱うことができる。この場合、スケジューリング変数の次元はκのn次元とσの3次元を合計した(n+3)となるため、GS制御器を設計する場合2n+3個のLMI(Linear Matrix Inequality、線形行列不等式)を同時に解く必要があるが、κの次元は、要素を適切に選ぶことによりどのような場合でも3次元に落とすことができる(後述する「スケジューリング変数の適切な選択による次元数の削減」参照)。
したがって、結局、制御器設計のために26=64個のLMIを同時に解くことになる。しかし、このように同時に解くべきLMIの個数を減らすことができたとしても、64個のLMIを同時に解くことはまだ非常に困難であり、制御器設計ができないことが多い。
In Equation (28), ω and σ are both three-dimensional vectors, so x in Equation (29) is a six-dimensional vector, and Ω is an n-dimensional vector (where n is the number of MEDs as described above). U is an n-dimensional vector. A d (κ) and G (σ) are each a 3 × 3 matrix, and B d is a 3 × n matrix. Although G (σ) is non-linear, it can be covered with a convex hull, so equation (29) corresponding to equation (3) can be treated as an LPV model. In this case, since the dimension of the scheduling variable is the sum of the n dimensions of κ and the three dimensions of σ (n + 3), 2 n + 3 LMIs (Linear Matrix Inequality) when designing the GS controller Must be solved simultaneously, but the κ dimension can be reduced to 3 dimensions in any case by appropriately selecting the elements (see “Reducing the number of dimensions by appropriate selection of scheduling variables” below) .
Therefore, 2 6 = 64 LMIs are solved simultaneously for controller design. However, even if the number of LMIs to be solved simultaneously can be reduced in this way, it is still very difficult to solve 64 LMIs at the same time, and it is often impossible to design a controller.

〔パラメータ依存基底変換と仮想状態量の導入〕
そこで、この発明では仮想状態量ζ、パラメータ依存基底変換行列M(σ)を導入することでスケジューリング変数の次元を3次元にまで減らし、より簡単な制御器設計を実現する。
[Introduction of parameter-dependent basis transformation and virtual state quantity]
Therefore, in the present invention, by introducing the virtual state quantity ζ and the parameter-dependent basis transformation matrix M (σ), the dimension of the scheduling variable is reduced to three dimensions, thereby realizing a simpler controller design.

ここで、仮想状態量ζ、パラメータ依存基底変換行列M(σ)はそれぞれ以下のように定義される。
M(σ)は、式(30)のA(κ, σ)の行列中のG(σ)を単位行列に変換するように決定されている。M(σ)により基底変換された相似なシステムにおける制御器設計は、スケジューリング変数の次元数が3次元である。この相似システムにおける制御器は、端点の数が23=8の6面体によりポリトープ表現される。前記制御器は、各端点制御器の凸結合で表現できるので(「背景技術」欄の「ポリトープ表現」参照)、制御器設計は各端点制御器の設計に帰着する。ただし、相似システムで設計された制御器は、本来のシステムに逆変換したうえで運用する必要がある。
M(σ)を用いて式(29)に基底変換行うと、以下のようになる。式(29)の両辺に左方からM(σ)を乗じて、
Here, the virtual state quantity ζ and the parameter-dependent basis transformation matrix M (σ) are respectively defined as follows.
M (σ) is determined so as to convert G (σ) in the matrix of A (κ, σ) in Expression (30) into a unit matrix. The controller design in a similar system basis transformed by M (σ) has three dimensionality of scheduling variables. The controller in this similar system is polytopically expressed by a hexahedron with 2 3 = 8 end points. Since the controller can be expressed by a convex combination of each end point controller (see “polytope expression” in the “Background Art” column), the controller design results in the design of each end point controller. However, a controller designed with a similar system must be operated after being converted back to the original system.
Performing basis transformation into equation (29) using M (σ) yields the following. Multiply both sides of equation (29) by M (σ) from the left,

式(33)に式(31)および(32)を適用して、
ここで、
Applying equations (31) and (32) to equation (33)
here,

である。左方から掛かる係数行列のゼロ要素によってG-1(σ)σの部分が消去されることを利用してG-1(σ)σをζに置換し、 It is. Substituting G −1 (σ) σ for ζ using the fact that the portion of G −1 (σ) σ is eliminated by the zero element of the coefficient matrix applied from the left,

もしくは以下のように書ける。 Or you can write:

ただし、
であり、
However,
And

ここで、上式の基底変換を行う際の注意点を示す。 Here are the points to keep in mind when performing the basis transformation of the above equation.

式(35)を得るために、
にも関わらず
をζで置き換えた。このような操作が可能であるのは、本来の制御プラントの構造を利用したためである。式(34)からわかるように、状態変数の下半分である
To obtain equation (35),
In spite of the
Was replaced by ζ. Such an operation is possible because the structure of the original control plant is used. As you can see from equation (34), it is the lower half of the state variable.

は零行列との積で常に消去される。
つまり、状態変数の下半分である
は常に任意の状態変数に置き換えても何ら問題はない。よって、状態変数の下半分
Is always erased by multiplication with the zero matrix.
That is, the lower half of the state variable
Can always be replaced with an arbitrary state variable. So the lower half of the state variable

を仮想状態量ζで置き換える操作は可能である。本来の制御プラントの構造をうまく利用し、パラメータ依存基底変換と仮想状態量を導入することで、式(29)で表現される本来の制御プラントをシンプルなLPVモデルに変換することができた。 It is possible to perform an operation for replacing the virtual state quantity ζ with. The original control plant expressed by Eq. (29) can be converted into a simple LPV model by making good use of the structure of the original control plant and introducing parameter-dependent basis conversion and virtual state quantities.

〔制御器設計〕
ここからは、式(36)で表現されたシンプルなLPVモデルに対してGS(Gain-Scheduled)制御器の設計を行う。即ち、相似システム上で制御器設計を行う。式(36)は式(3)で表現された制御プラントのモデルに対応する。モデル化された制御プラントに対して式(4)に対応する制御器の設計を行う。そして、基底変換を元に戻すことで、式(36)に対して得られたGS制御器が本来の制御プラントに対しても有効であることを示す。まず、式(29)および(36)に対する一般化制御プラント(Generalized plant)を以下のように定義する。一般化制御プラントは、外乱が入ってきたときに系がうまく制御できるかを考慮するために、制御プラントの動特性を表す状態方程式(式(3)参照)に外乱(下記式(38)および(39)におけるw)の項を加えたものである。
(Controller design)
From here, the GS (Gain-Scheduled) controller is designed for the simple LPV model expressed by Equation (36). That is, the controller is designed on a similar system. Equation (36) corresponds to the model of the control plant expressed by Equation (3). A controller corresponding to Equation (4) is designed for the modeled control plant. Then, by restoring the base transformation, it is shown that the GS controller obtained for Equation (36) is also effective for the original control plant. First, a generalized control plant (Generalized plant) for equations (29) and (36) is defined as follows. In order to consider whether the system can be controlled well when a disturbance enters the generalized control plant, the disturbance (see the following equation (38) and the equation (3)) representing the dynamic characteristics of the control plant. This is the addition of the item w) in (39).

まず、式(29)に対する一般化制御プラントを、
とし、これに基底変換と仮想状態量を導入して得られる相似システム上でのシンプルなLPVモデル、即ち式(36)に対する一般化制御プラントを、
First, a generalized control plant for equation (29)
A simple LPV model on a similar system obtained by introducing basis transformation and virtual state quantity into this, that is, a generalized control plant for Equation (36),

とする。
ここで、係数行列
And
Where the coefficient matrix

は直交条件
および正定条件
を満たすように選ばれることが多い。また、
はそれぞれ外乱ベクトル、式(29)に対する性能評価出力、式(36)に対する性能評価出力とする。
Is the orthogonal condition
And positive definite condition
Often chosen to satisfy. Also,
Are the disturbance vector, the performance evaluation output for equation (29), and the performance evaluation output for equation (36), respectively.

このとき、式(36)で表現されたシンプルなLPVモデルに対してGS制御器
を設計する。実施形態では、大域的な安定性と
性能を保証するような制御器を設計する。このような条件を満たす制御器
はLyapunov共通解
を用いると以下の凸最適化問題の解として求められる(後述する捕捉説明欄の「漸近安定性」参照)。
At this time, the GS controller for the simple LPV model expressed by Equation (36)
To design. In an embodiment, global stability and
Design controllers that guarantee performance. Controller that satisfies these conditions
Is Lyapunov common solution
Is used as a solution to the following convex optimization problem (see “Asymptotic Stability” in the capture description section below).

ただし、 However,

である。式(40)〜(42)は、行列変数が
であるときに、式(40)〜(42)の制約条件のもとで
のトレースが下限をとるようなパラメータの値を見出す最適化問題を表している。また、式(40)および(41)の行列右上の「*」は、その部分に行列左下の要素の転置が入ることを示している。
It is. Equations (40)-(42)
Under the constraints of equations (40)-(42)
Represents an optimization problem that finds the value of a parameter whose trace is lower than In addition, “*” at the upper right of the matrix in Equations (40) and (41) indicates that the transpose of the lower left element of the matrix is included in that portion.

式(42)のようにκがとり得るすべての範囲で任意の各端点制御器の凸結合で表現されるコントローラが、ポリトープ内の任意のκにおいて制御プラントを安定化することが保証されなければならない。この安定化条件を与えるのが式(85)のLyapunov不等式である。
pを端点数とすると、シンプルなLPVシステムは以下のポリトープ表現で表される。
このとき、以下のLMI問題を満たすような端点制御器
を考える。
If it is not guaranteed that the controller expressed by the convex combination of each end point controller in all the range that κ can take as shown in Equation (42), stabilizes the control plant at any κ in the polytope. Don't be. This stabilization condition is given by the Lyapunov inequality in equation (85).
If p is the number of endpoints, a simple LPV system is represented by the following polytope expression.
At this time, an endpoint controller that satisfies the following LMI problem:
think of.

最適解
を用いると端点制御器は
で表現でき、GS制御器は以下のように与えられる。
Optimal solution
The end point controller
The GS controller is given as follows.

このGS制御器にはLyapunov共通解が用いられており、保守的な設計になる可能性がある。そこで、Lyapunov非共通解を用いたGS制御器の設計を行う。Lyapunov非共通解を用いると、以下のLMI、即ち式(50)〜(52)を満たす
を求めることになる(Shimomura, T., and Kubotani, T., “Gain-Scheduled Control under Common Lyapunov Functions: Conservatism Revisited,” Proc. of 2005 American Control Conference, 2005, pp. 870-875参照)。
The Lyapunov common solution is used for this GS controller, which may result in a conservative design. Therefore, we design a GS controller using Lyapunov non-common solutions. If Lyapunov non-common solution is used, the following LMI, ie, equations (50) to (52) are satisfied
(See Shimomura, T., and Kubotani, T., “Gain-Scheduled Control under Common Lyapunov Functions: Conservatism Revisited,” Proc. Of 2005 American Control Conference, 2005, pp. 870-875).

最適解
を用いればより保守性の少ない制御器を得ることができる。そして、それにより得られた端点制御器
を用いて式(49)によりGS制御器が与えられる。
Optimal solution
By using, a controller with less maintainability can be obtained. And the end point controller obtained by it
Is used to give a GS controller according to equation (49).

i=1,…,pの各端点制御器は、各端点において系を安定化するように設計されたものである。ただし、このようにして得られたGS制御器は各端点での安定性が保証されるもののポリトープ内の全領域での安定性を保証するものではない。式(49)のように各端点制御器の凸結合で表現されるコントローラが、ポリトープ内の任意のκにおいて系を安定化することが保証されなければならない。全運用領域で大域的安定性、
性能を保証するため、
の決定後、以下のLMI問題を解く必要がある。
Each end point controller with i = 1,..., p is designed to stabilize the system at each end point. However, although the GS controller obtained in this way guarantees stability at each end point, it does not guarantee stability in the entire region in the polytope. It must be ensured that the controller represented by the convex combination of each endpoint controller as in equation (49) stabilizes the system at any k in the polytope. Global stability in all operational areas,
To guarantee performance,
After the decision, we need to solve the following LMI problem.

このLMI問題が可解であるとき、Lyapunov非共通解を用いて式(36)で表現されたシンプルなLPVモデルに対し設計されたGS制御器が以下のLMI問題を満たす。
When this LMI problem is solvable, the GS controller designed for the simple LPV model expressed by Eq. (36) using the Lyapunov non-common solution satisfies the following LMI problem.

このように、シンプルなLPVモデルに対して式(49)で表されるGS制御器を設計することができた。そして、パラメータ依存基底変換を元に戻すことで
本来の制御プラントに対するGS制御器K(κ,σ)を得ることができる。
In this way, the GS controller represented by Equation (49) could be designed for a simple LPV model. And by reverting the parameter-dependent basis transformation
The GS controller K (κ, σ) for the original control plant can be obtained.

ここで、
である。
here,
It is.

このように、式(29)で表現された本来の制御プラントに対する端点制御器は
で与えられる。そのとき、GS制御器Κ(κ,σ)は以下のLMI問題を満たす。
Thus, the end point controller for the original control plant expressed by Equation (29) is
Given in. At that time, the GS controller Κ (κ, σ) satisfies the following LMI problem.

ただし、 However,

ここで、M(σ),Bの構造を考えると
となる。
Here, considering the structure of M (σ), B
It becomes.

同様に、
(通常は動力学方程式のみに外乱が入る)のとき、
である。なお、式(53)〜(55)が可解でなくても、以下に示すLMIの可解性を確認することで全運用領域での大域的安定性が保証できる。
Similarly,
(Usually disturbances only in the dynamic equation)
It is. Even if the equations (53) to (55) are not solvable, the global stability in the entire operation region can be guaranteed by confirming the solvability of the LMI shown below.

以上で、この発明の主要結果が得られた。トラッキング問題へ適用する場合、偏差MRPを用いて同様の議論を行えばよい。(詳細はY. Yamamoto, and T. Shimomura, “Attitude Control of Spacecraft through A Simple LPV Model with A Virtual State Variable,” AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, AIAA 2012-5005参照) This completes the main results of the present invention. When applying to tracking problems, the same discussion should be made using deviation MRP. (For details, see Y. Yamamoto, and T. Shimomura, “Attitude Control of Spacecraft through A Simple LPV Model with A Virtual State Variable,” AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, AIAA 2012-5005)

≪数値シミュレーション≫
この発明の有効性を示すため、従来法とこの発明による手法の数値シミュレーション結果を以下に示す。従来法として、MRPを用いたLyapunov関数に基づく制御器を用いた。宇宙機のパラメータ、初期条件、目標姿勢を表1に示す。また、アクチュエータ配置の一例を図2に示す。図2の例ではアクチュエータとして4つのリアクションホイールRW1〜RW4が配置されている。
≪Numerical simulation≫
In order to show the effectiveness of the present invention, numerical simulation results of the conventional method and the method according to the present invention are shown below. As a conventional method, a controller based on Lyapunov function using MRP was used. Table 1 shows the spacecraft parameters, initial conditions, and target attitude. An example of the actuator arrangement is shown in FIG. In the example of FIG. 2, four reaction wheels RW1 to RW4 are arranged as actuators.

制御器設計変数
は以下のように設定した。
Controller design variables
Was set as follows.

この発明による手法(以下、提案法という。図3〜図6参照)を用いた場合、宇宙機の姿勢制御は約100[秒]程で実現できている。一方、Lyapunov関数に基づいた従来法(図7〜図10参照)を用いた場合、姿勢制御の実現に200[秒]以上かかっている。制御入力の大きさがどちらも10[ラジアン/秒2]であることを考えると、提案法の制御性能が優れているといえる。 When the method according to the present invention (hereinafter referred to as the proposed method, see FIGS. 3 to 6), the attitude control of the spacecraft can be realized in about 100 [seconds]. On the other hand, when the conventional method based on the Lyapunov function (see FIGS. 7 to 10) is used, it takes 200 [seconds] or more to realize the attitude control. Considering that both control inputs are 10 [radians / second 2 ], the control performance of the proposed method is excellent.

〔スケジューリング変数の適切な選択による次元数の削減〕
以下に、スケジューリング変数を適切に選ぶことで制御器設計が容易になることを示す。n個のRWを搭載した宇宙機を考えると、スケジューリング変数κの次元はnになるように思われる(κ=Ωとした場合)。
この場合、シンプルなLPVモデルを凸包で覆うのに少なくとも2n個の端点が必要になる。このように、スケジューリング変数を各RWのスピンレートΩとすると、制御器設計が困難になる場合がある。例えば、アクチュエータの故障に備えて冗長にアクチュエータを配置する場合、凸包の端点数が多くなってしまい、大域的安定性を保証することが困難になることがある。
[Reduction of dimensionality by appropriate selection of scheduling variables]
In the following, it will be shown that controller design is facilitated by appropriately selecting scheduling variables. Considering a spacecraft with n RWs, the scheduling variable κ appears to have a dimension of n (when κ = Ω).
In this case, at least 2 n end points are required to cover a simple LPV model with a convex hull. Thus, if the scheduling variable is the spin rate Ω of each RW, controller design may be difficult. For example, when an actuator is redundantly arranged in preparation for an actuator failure, the number of end points of the convex hull increases, and it may be difficult to ensure global stability.

しかし、スケジューリング変数κを適切に選ぶことで、この問題を解決することができる。スケジューリング変数をκ=Ωではなく、κ=GsΩとすることでスケジューリング変数の次元を3に落とすことができる。なお、Gsは各RWのスピン軸方向の各単位ベクトルをFBの三軸で表して並べた3×n行列である。このとき、シンプルなLPVモデルは23=8個の端点をもつ凸包で覆うことができ、大域的安定性の保証が非常に容易になる。 However, this problem can be solved by appropriately selecting the scheduling variable κ. By setting the scheduling variable to κ = G s Ω instead of κ = Ω, the dimension of the scheduling variable can be reduced to 3. Incidentally, G s is 3 × n matrix by arranging expressed in three axes F B each unit vector of the spin axis of the RW. At this time, a simple LPV model can be covered with a convex hull with 2 3 = 8 end points, and it is very easy to guarantee global stability.

〔凸結合係数λi(κ)〕
以下に、GS制御器の凸結合係数をどのように求めるかを示す。κimin、κimaxをスケジューリング変数κiの最小値、最大値とする。このとき、スケジューリング変数κiは以下のように表すことができる。
凸結合係数λi(κ)は表2のように計算することができる。
(Convex coupling coefficient λ i (κ))
The following shows how to obtain the convex coupling coefficient of the GS controller. Let κ imin and κ imax be the minimum and maximum values of the scheduling variable κ i . At this time, the scheduling variable κ i can be expressed as follows.
The convex coupling coefficient λ i (κ) can be calculated as shown in Table 2.

〔漸近安定性〕
1)リアプノフ安定論
式(72)および(73)の状態方程式で表現されるシステム
の漸近安定性(x(t)→0)をリアプノフ関数の収束性の立場から論ずる。リアプノフ関数V(t)は、以下の正定関数として定義される関数である。
[Asymptotic stability]
1) Lyapunov stability theory System expressed by equations of state (72) and (73)
We discuss the asymptotic stability (x (t) → 0) from the standpoint of convergence of the Lyapunov function. The Lyapunov function V (t) is a function defined as the following positive definite function.

即ち、ゼロでないすべてのxについてV(t)は正の値をとる。ここで、正定関数に対応する正方対象行列P'=Pを正定行列という。
である。状態の解x(t)について
That is, V (t) takes a positive value for all x that are not zero. Here, a square target matrix P ′ = P corresponding to a positive definite function is called a positive definite matrix.
It is. On the state solution x (t)

が成り立つならば、V(x(t))が時間の増加と共に単調減少する。
式(74)に示すV(x)≧0の条件より、
となり、式(75)よりP>0であるから、V(x(∞))=0となるには状態の解x(∞)=0でなければならない。従って、システムの漸近安定性がいえる。
If V holds, V (x (t)) decreases monotonically with increasing time.
From the condition of V (x) ≧ 0 shown in Equation (74),
Since P> 0 from equation (75), the state solution x (∞) = 0 must be satisfied in order to satisfy V (x (∞)) = 0. Therefore, the asymptotic stability of the system can be said.

2)状態漸近収束の条件
以下の行列不等式を満たす正定解P>0が存在すれば、システムの漸近安定性は保証される。
式(72)および(73)より、
式(78)に式(79)を代入して、
2) Conditions for state asymptotic convergence If there is a positive definite solution P> 0 that satisfies the following matrix inequality, the asymptotic stability of the system is guaranteed.
From equations (72) and (73),
Substituting equation (79) into equation (78),

x≠0に対し、式(80)の不等式が成立する条件は、
である。
For x ≠ 0, the condition that the inequality of equation (80) holds is
It is.

3)パラメータ可変系の安定性
以上に述べた線形系に対して、式(82)および(83)で表現されるパラメータ可変系
の安定性を論ずる。パラメータκが変化するとリアプノフ関数V(t)、即ちPも変わると考えることができる(式(74)参照)。κに応じて変化する制御プラントに対してリアプノフ関数
で安定性を保証することを考える。
3) Stability of variable parameter system For the linear system described above, the variable parameter system expressed by equations (82) and (83)
Discuss the stability. It can be considered that when the parameter κ changes, the Lyapunov function V (t), that is, P also changes (see equation (74)). Lyapunov function for a control plant that varies with κ
Think about ensuring stability.

これが可能な場合、κのとり得るすべての値に対応するプラントの集合はいずれも安定であるといえる。安定性の条件は、κのとり得るすべての値について、式(81)に対応する下記不等式、
を満たす正定行列P(κ)が存在することである。
If this is possible, it can be said that any set of plants corresponding to all possible values of κ is stable. The stability condition is the following inequality corresponding to equation (81) for all possible values of κ:
There is a positive definite matrix P (κ) that satisfies

4)2次安定性
パラメータ可変系では、本来パラメータκが変化するとリアプノフ関数V(t)に係る正定行列Pも変わると考えることができる(式(84)参照)。しかし、κに応じて変化するP(κ)を見つけるのが困難である。そこで、プラント集合に含まれるすべてのシステムに共通のPを用いて安定性を保証することを考える。これが可能な場合、プラント集合が2次安定であるという。2次安定性はかなり厳しい要求であるが、実用上有用である。
4) Secondary stability In the parameter variable system, it can be considered that the positive definite matrix P related to the Lyapunov function V (t) changes when the parameter κ originally changes (see equation (84)). However, it is difficult to find P (κ) that changes according to κ. Therefore, we consider ensuring stability using P common to all the systems included in the plant set. If this is possible, the plant set is said to be secondary stable. Although secondary stability is a fairly severe requirement, it is useful in practice.

2次安定性の条件は、式(85)のP(κ)をκのすべての値で共通のPに置換して、
となる。
5)ポリトープ系の安定性条件
式(82)に対応し、以下のようにp個の端点によりポリトープ表現されるパラメータ可変系
を対象としてフィードバック制御を実行するときの好適な制御器は、端点制御器の凸結合として算出するのがLPV制御の考え方である。制御器は、次のように表される。
この場合の安定性について考える。
The secondary stability condition is that P (κ) in equation (85) is replaced with a common P for all values of κ,
It becomes.
5) Stability condition of polytope system Variable parameter system corresponding to equation (82) and expressed as polytope with p end points as follows
A suitable controller when executing feedback control for the above is the concept of LPV control that is calculated as a convex combination of end point controllers. The controller is represented as follows.
Consider the stability in this case.

式(88)を式(87)に代入して、
を得る。プラントの安定性の条件は、すべてのλi(κ)について、式(85)に対応する下記不等式
を満たす共通の正定行列Pが存在することである。
Substituting equation (88) into equation (87),
Get. The plant stability condition is the following inequality corresponding to equation (85) for all λ i (κ):
There is a common positive definite matrix P that satisfies

式(91)を整理すると、
となる。
ここで、λi=1のとき式(90)より、λj=0 (j≠i) であるから、式(92)の安定条件は、
を満たす共通の正定行列Pが存在することである。式(93)はすべてのi、即ちすべての端点について成立する。
Organizing equation (91)
It becomes.
Here, when λ i = 1, from equation (90), λ j = 0 (j ≠ i), so the stability condition of equation (92) is
There is a common positive definite matrix P that satisfies Expression (93) holds for all i, that is, all end points.

逆に、式(93)がすべてのiについて成り立つとき、少なくとも一つのλiがゼロでないから式(92)が成立する。よって、各端点において式(93)の条件を満たす共通のPが存在することが、式(92)と等価な2次安定条件となる。
式(93)でKiおよびPは、いずれも行列変数であり両者の積を含むので、式(93)はLMIではなくBMI(Bilinear Matrix Inequality、双線形行列不等式)である。よって、式(93)の不等式はそのままでは解くことが難しい。
Conversely, when equation (93) holds for all i, equation (92) holds because at least one λ i is not zero. Therefore, the existence of a common P that satisfies the condition of Expression (93) at each end point is a secondary stability condition equivalent to Expression (92).
In Equation (93), Ki and P are both matrix variables and include the product of both, so Equation (93) is not LMI but BMI (Bilinear Matrix Inequality). Therefore, it is difficult to solve the inequality of equation (93) as it is.

5)BMIからLMIへの変換
式(92)に次の変数変換を施すことによりBMIをLMIに変換する。
まず、X:=P-1を式(93)の両側から掛けて、
さらに、Wi:=KiXの変数変換を行って、
式(95)で、XおよびWiは、いずれもκをパラメータとするが、それらの積を含まないのでLMIであり、解くことができる。式(95)を解いてWiが求まったら、KiはKi=WiX-1で求められる。
式(47)の行列不等式の左上の要素は、式(95)に対応する2次安定性の条件を表しており、性能保証を含めるために拡張された行列不等式になっている。
5) Conversion from BMI to LMI BMI is converted to LMI by applying the following variable conversion to equation (92).
First, multiply X: = P -1 from both sides of equation (93),
Furthermore, the variable conversion of W i : = K i X is performed,
In the formula (95), X and W i are both but a parameter kappa, does not contain such a product is LMI, it can be solved. When W i is obtained by solving equation (95), K i is obtained by K i = W i X −1 .
The upper left element of the matrix inequality of Equation (47) represents the secondary stability condition corresponding to Equation (95), and is a matrix inequality extended to include performance guarantee.

前述した実施の形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、この発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。この発明には、請求の範囲と均等の意味および前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。   In addition to the embodiments described above, there can be various modifications of the present invention. These modifications should not be construed as not belonging to the scope of the present invention. The present invention should include the meaning equivalent to the scope of the claims and all modifications within the scope.

この発明は、仮想状態量ζ、パラメータ依存基底変換行列M(σ)を導入し、宇宙機の姿勢制御を実現する新たな手法を示した。提案法を用いることにより、本来の制御プラントを、より少ない端点数で覆うことができるシンプルなLPVモデルに変換できること示した。そして、基底変換を元に戻すことにより本来の制御プラントに対するGS制御器が得られることを示した。また、シンプルなLPVモデルに対して設計したGS制御器は本来の制御プラントに対して大域的な安定性と制御性能を自動的に保証することを示した。数値シミュレーションにより、提案法と従来法の比較を行い、提案法がよりよい制御性能を示すことが分かった。実施形態では、アクチュエータとしてRWを用いたが、他のアクチュエータ(CMGやVSCMGなど)にもこの発明は適用可能である。また、制御器設計の際、H2制御器の設計を行ったが、この発明はLMIを用いて制御器を設計できるため、他の制御目的(H∞性能や入力飽和制約など)を同時に満たす制御器の設計が可能である。
ただし、この発明は宇宙機に限定されるものでなく航空機、船舶、自動車、ロボット等LPVモデルで表現される種々の制御プラントに適用可能である。
The present invention introduced a virtual state quantity ζ and a parameter-dependent basis transformation matrix M (σ) to show a new method for realizing spacecraft attitude control. By using the proposed method, it was shown that the original control plant can be converted into a simple LPV model that can be covered with fewer endpoints. It was shown that the GS controller for the original control plant can be obtained by restoring the basis transformation. It was also shown that a GS controller designed for a simple LPV model automatically guarantees global stability and control performance for the original control plant. By numerical simulation, we compared the proposed method with the conventional method and found that the proposed method shows better control performance. In the embodiment, RW is used as an actuator. However, the present invention can be applied to other actuators (CMG, VSCMG, etc.). In addition, H 2 controller was designed at the time of controller design, but because this invention can design controller using LMI, other control objectives (H∞ performance, input saturation constraint, etc.) are satisfied at the same time. Controller design is possible.
However, the present invention is not limited to a spacecraft, and can be applied to various control plants expressed by LPV models such as aircraft, ships, automobiles, and robots.

11:角運動量交換型デバイス
RW1, RW2, RW3, RW4:リアクションホイール
11: Angular momentum exchange type device
RW1, RW2, RW3, RW4: Reaction wheel

Claims (6)

姿勢制御の対象となる系の動力学的および運動学的特性を線形パラメータ可変制御理論に基づく状態方程式で表す特性式化工程と、
前記状態方程式を単純化する単純化工程と、
単純化された状態方程式に基づいて状態フィードバックコントローラとしてのゲインスケジューリング制御器の設計を行う設計工程とを備え、
前記特性式化工程は、状態変数の係数行列が動力学方程式に係るスケジューリング変数により変化する第1部分係数行列、運動学方程式に係るスケジューリング変数により変化する第2部分係数行列およびいずれのスケジューリング変数にも依存しない第3部分係数行列からなる状態方程式で系の特性を表し、
前記単純化工程は、第2部分係数行列を単位行列に変換すべく前記状態方程式に対する基底変換を行うパラメータ依存基底変換処理と、そのパラメータ依存基底変換処理後の状態方程式における運動学方程式に関する状態変数を仮想状態量に置換することを特徴とするゲインスケジューリング制御器の設計方法。
A characteristic formulation process that expresses the dynamic and kinematic characteristics of the system subject to attitude control by a state equation based on the linear parameter variable control theory;
A simplification process for simplifying the equation of state;
A design process for designing a gain scheduling controller as a state feedback controller based on a simplified state equation;
In the characteristic formulating step, the state variable coefficient matrix is changed to a first partial coefficient matrix that changes according to a scheduling variable related to a dynamic equation, a second partial coefficient matrix that changes depending on a scheduling variable related to a kinematic equation, and any scheduling variable. Represents the characteristics of the system with a state equation consisting of a third partial coefficient matrix that does not depend on
The simplification step includes a parameter-dependent basis transformation process for performing basis transformation on the state equation to convert the second partial coefficient matrix into a unit matrix, and a state variable relating to a kinematic equation in the state equation after the parameter-dependent basis transformation processing A design method for a gain scheduling controller, characterized in that is replaced with a virtual state quantity.
前記特性式化工程は、動力学方程式に係るスケジューリング変数をκ、運動学方程式に係るスケジューリング変数をσとするとき状態方程式
(ωおよびσは状態変数、uは系の入力、0はゼロ行列)
で系を表し、
前記単純化工程は、(1)式の係数行列
のうち第2部分係数行列G(σ)を単位行列に基底変換する変換行列
を(1)式の両辺の左方に乗じて基底変換後の状態方程式
を導き、前記単純化工程は、(4)式の状態変数のうちG-1(σ)σを仮想状態量ζで置換してσを含まない状態方程式
を導く請求項1に記載の設計方法。
The characteristic formulating step is a state equation where κ is a scheduling variable related to a dynamic equation and σ is a scheduling variable related to a kinematic equation.
(Ω and σ are state variables, u is the system input, and 0 is the zero matrix)
Represents the system,
The simplification process includes a coefficient matrix of equation (1)
Conversion matrix for basis conversion of the second partial coefficient matrix G (σ) to unit matrix
Equation of state after basis transformation by multiplying the left side of both sides of equation (1) by
And the simplification step replaces G −1 (σ) σ among the state variables in the equation (4) with a virtual state quantity ζ and does not include σ.
The design method according to claim 1, wherein:
前記(5)式の仮想状態量ζに乗ぜられる各係数がゼロである請求項2に記載の設計方法。   The design method according to claim 2, wherein each coefficient multiplied by the virtual state quantity ζ in the equation (5) is zero. 状態変数ωは角速度であり、状態変数σは改良ロドリゲス・パラメータである請求項2または3に記載の設計方法。   The design method according to claim 2 or 3, wherein the state variable ω is an angular velocity, and the state variable σ is an improved Rodrigues parameter. 前記ゲインスケジューリング制御器は、3個以上のアクチュエータにそれぞれフィードバックを行って三軸姿勢制御を行い、
前記スケジュール変数はそれらアクチュエータの駆動量を機体固定座標の三軸成分に変換したものである請求項1〜4の何れか一つに記載の設計方法。
The gain scheduling controller performs three-axis attitude control by providing feedback to three or more actuators,
5. The design method according to claim 1, wherein the schedule variable is obtained by converting the drive amount of the actuator into a three-axis component of airframe fixed coordinates.
単純化された状態方程式で表される系に対して設計されたゲインスケジューリング制御器を元の系に変換し元の系のゲインスケジューリング制御器を得る工程をさらに備える請求項1〜5の何れか一つに記載の設計方法。   6. The method according to claim 1, further comprising: converting a gain scheduling controller designed for a system represented by a simplified equation of state into an original system to obtain a gain scheduling controller of the original system. The design method according to one.
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