本發明專利技術一種航天器艙內溫度控制系統的周期擾動補償設計方法，該方法有四大步驟：步驟一：設計閉環控制系統的結構；步驟二：設計前饋信號自適應學習控制器參數；步驟三：設計決策器；步驟四：進入設計結束階段。本發明專利技術在原有控制方案的基礎上，自適應學習出更為準確的前饋信號用于干擾動補償，以提高溫度控制精度，并且保證溫度控制系統的穩定性。這種方法實施方便，所設計的前饋信號自適應學習控制器結構簡單，在航天器溫度控制技術領域內具有廣泛的實用價值和應用前景。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及，它與 繞地飛行航天器(以下簡稱航天器)艙內溫度系統簡化模型(屬于一階慣性環節) 有關，屬于航天器溫度控制
技術介紹
航天器(包括衛星，載人飛船等) 一般運行在近地軌道，處于近地空間 環境，空氣非常稀薄，接近真空；它會受到太陽熱輻射、地球熱輻射、地球 反射及其它天體的輻射和反射，同時它還要向溫度極低的太空輻射熱量。在 這樣的環境中，艙內溫度控制系統變得非常重要。它不僅保障航天器上精密 儀器工作環境，而且保障航天員的生活和工作。徐向華在其博士學位論文"小型空間站熱管理系統動態仿真與實驗研究" 中指出影響航天器艙內溫度主要因素包括(1)在軌熱輻射環境的波動；(2) 發射和變軌過程中其外部環境發生的變化，或者在組裝過程中其負荷的突然改 變；(3)宇航員的活動狀態；(4)各種設備的開機、停機、故障，及某些設備的 周期性運行。從以上可以看出外界和內部環境對航天器艙內溫度控制系統產生的 擾動非常復雜，具有很強的不確定性，但是主要呈現周期性。針對這種擾動，原有的控制方案一般如圖l所示。它包括一個反饋控制 器和一個預先在地面計算好的前饋信號。反饋控制器的目的是使系統在沒有 擾動情況下穩定和抑制外界的隨機擾動(非周期擾動)，而前饋信號的目的 是補償周期擾動。由于擾動特性復雜，預先計算好的前饋信號不能很好地補 償外界和內部環境對航天器艙內溫度控制系統產生的擾動；而且要獲得更準 確的前饋信號，將需要花費越來越高的人力和物力成本。在這種技術背景下，本專利技術針對航天器溫度系統簡化模型設計一種周期 擾動補償設計方法提高溫度控制精度。該方案可以在原有的控制方案的基礎5上，設計前饋信號自適應學習控制器用于干擾動補償。該方案實施方便，并 且在系統存在不確定因素(包括結構型不確定)的情況下，可以保證前饋信 號自適應學習過程中溫度控制系統的穩定性。
技術實現思路
1、 目的本專利技術的目的是提供一種航天器艙內溫度控制系統的周期擾 動補償設計方法，它克服了現有技術的不足，在原有控制方案的基礎上，自 適應學習出更為準確的前饋信號用于干擾動補償，以提高溫度控制精度，并 且保證溫度控制系統的穩定性。2、 技術方案本專利技術一種航天器艙內溫度控制系統的周期擾動補償設 計方法，該方法具體步驟如下步驟一設計閉環控制系統的結構閉環控制系統采用單位負反饋的控制結構，輸出量是溫度信號。所設計的閉 環控制系統主要包括原有反饋控制器，前饋信號自適應學習控制器，決策器和 航天器艙內溫度系統簡化模型這四個部分，其結構布局情況見圖2所示。溫度傳 感器測出艙內溫度，然后與溫度參考信號作差形成誤差信號；誤差信號同時提供 給決策器和原有反饋控制器；隨后原有反饋控制器的輸出作為前饋信號自適應學 習控制器的輸入，同時前饋信號自適應學習控制器的輸出被決策器所控制；最終 前饋信號自適應學習控制器的輸出與原有反饋控制器的輸出之和作為航天器艙 內溫度系統簡化模型的輸入。航天器艙內溫度系統簡化模型、原有反饋控制器、前饋信號自適應學習控制 器和決策器的設計一般都采用高級語言(例如C語言或Ada等)編程實現而不采用 硬件模擬電路實現。下面將分別介紹這四個部分的功能。該航天器艙內溫度系統簡化模型用帶有周期擾動的一階慣性環節描述 ( ) = -jc (/) + m ( ) + ^ W ",)"(,) (1)射x(/) 表示系統狀態；表示控制輸入；表示系統輸出； r 表示系統參數；表示外界擾動。該原有反饋控制器(如圖l所示)描述為^(f，e)，其中的輸入信號是誤差信號(誤差信號由參考信號減去輸出信號求得)。它的作用是鎮定閉環系統以及抑制 外界的隨機擾動(非周期擾動)。原有反饋控制器是花費了人力和物力成本在線 調試得到，在不確定因素存在下，仍然能保證閉環系統的穩定性。這些已經通過 實際系統的驗證。因此這一部分將不作任何改動。 該前饋信號自適應學習控制器描述為-<formula>formula see original document page 7</formula>其中<formula>formula see original document page 7</formula>表示前饋信號的初始值；T 表示擾動周期；s 表示折中因子；A 表示學習速率因子； G,e)表示原有反饋控制器信號； (0表示輸出前饋信號。解(2)可以采用四階龍格庫塔方法，解的結果即為輸出前饋信號""/)。前饋信號自適應學習控制器(2)三個參數("7。，""的具體設計將在"步驟二"中詳細介紹。該決策器有兩個功能， 一是通過溫度控制的結果，不斷保存控制結果最佳的 前饋信號；二是系統如果出現不穩定的跡象，立刻將前饋信號切換為最佳的前饋 信號，以保障系統的穩定性。決策器的具體設計將在"步驟三"中詳細介紹。 步驟二設計前饋信號自適應學習控制器參數<formula>formula see original document page 7</formula>設置為原有的前饋信號，因為原有前饋信號是花費了人力和物力成本在線調試得到，并可能已經通過實際系統的驗證。因此讓其作為學習 前饋控制器的初始值更加可靠而且能使前饋信號更快收斂到最佳前饋。調試過程中，參數S，A:從O開始調節。比如讓6 = ",。^ = "2&，其中<formula>formula see original document page 7</formula>。每調到一組參數，讓系統進入穩態，然后通過觀察溫度誤差對參數進行取舍。 步驟三設計決策器決策器有兩個功能，這兩個功能需要一個判斷指標J("): J["二)J2^)^，其中J(W)表示第"個時間周期的判斷指標，r表示擾動周期，e(Z)表示f時刻的 誤差信號。決策器的第一個功能是決定何時保存控制效果最佳的前饋信號。如果 /(")Sc^/to,"22，那么^紐其中《取值在區間,視具體情況而定，/^,表示最佳指標；而且讓最佳的前饋信號"^,設置為"』="/("("-iK)^=K,o]。決策器的第二個功能是決定何時將前饋信號切換至最佳前饋信號。在時刻"r時，如果/(")^"j^,，"22，那么就讓前饋信號自適應學習控制器(i)的 ",(e)在區間上設置為",(e+(" _ i) r) = = 而且4,, = ^^,。修改4,,的目的是讓判斷指標^,增大，從而讓下一次更新最佳前饋信號成為可能。 一般來說/ 取值在區間，視具體情況而定。決策 器流程如圖3。步驟四進入設計結束階段整個設計過程重點考慮了兩個方面的控制需求，分別為外界周期擾動的補償 以及溫度控制系統的穩定性。圍繞這兩個方面，首先在上述步驟一中確定了整體 的控制方案及閉環控制系統的具體構成，值得注意的是原有反饋控制器將繼續利用；步驟二中重點給出了前饋信號自適應學習控制器參數設計；步驟三中給出決 策器的決策邏輯設計。通過試驗或仿真，若閉環系統穩定性達不到要求，那么重新返回步驟三，調小"和/ 在給定區間的取值。若閉環干擾補償效果達不到要求， 那么重新返回步驟二步，增大e的取值。直至達到最好的效果，步驟如圖4所示。 經上述各步驟后，設計結束。3、優點及功本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種航天器艙內溫度控制系統的周期擾動補償設計方法，其特征在于：該方法具體步驟如下： 步驟一：設計閉環控制系統的結構 閉環控制系統采用單位負反饋的控制結構，輸出量是溫度信號，所設計的閉環控制系統包括：原有反饋控制器、前饋信號自適應 學習控制器、決策器和航天器艙內溫度系統簡化模型四個部分；溫度傳感器測出艙內溫度，然后與溫度參考信號作差形成誤差信號；誤差信號同時提供給決策器和原有反饋控制器；隨后原有反饋控制器的輸出作為前饋信號自適應學習控制器的輸入，同時前饋信號自適應學習控制器的輸出被決策器所控制；最終前饋信號自適應學習控制器的輸出與原有反饋控制器的輸出之和作為航天器艙內溫度系統簡化模型的輸入； 航天器艙內溫度系統簡化模型、原有反饋控制器、前饋信號自適應學習控制器和決策器的設計都采用高級語言編程實現； 該航天器艙內溫度系統簡化模型用帶有周期擾動的一階慣性環節描述 τ＊（ｔ）＝－ｘ（ｔ）＋ｕ（ｔ）＋ｄ（ｔ） ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ） （１） 其中： ｘ（ｔ）表示系統狀態；ｕ（ｔ）表示控制輸入；ｙ（ｔ）表示系統輸出； τ表示系統參數；ｄ（ｔ）表示外界擾動； 該原有反饋控制器描述為ｕ↓［ｂ］（ｔ，ｅ），其中的輸入信號是誤差信號，誤差信號由參考信號減去輸出信號求得，它的作用是鎮定閉環系統以及抑制外界的隨機擾動即非周期擾動；原有反饋控制器在不確定因 素存在下，仍然能保證閉環系統的穩定性； 該前饋信號自適應學習控制器描述為： ε＊↓［ｆ］（ｔ）＝－ｕ↓［ｆ］（ｔ）＋ｕ↓［ｆ］（ｔ－Ｔ）＋ｋ.ｕ↓［ｂ］（ｔ，ｅ） ｕ↓［ｆ］（θ）＝ｕ↓［ｆ↓［０］］（θ），θ∈［－Ｔ，０］ （２） 其中： ｕ↓［ｆ↓［０］］（θ），θ∈［－Ｔ，０］表示前饋信號的初始值；Ｔ表示擾動周期； ε表示折中因子；ｋ表示學習速率因子； ｕ↓［ｂ］（ｔ，ｅ）表示原有反饋控制器信號；ｕ↓［ｆ］（ｔ）表示輸出前饋信號； 解（２）式可以采用四階龍格庫塔方法，解的結果即為輸出前饋信號ｕ↓［ｆ］（ｔ）； 該決策器有兩個功能，一是通過溫度控制的結果，不斷保存控制結果最佳的前饋信號；二是系統如果出現不穩定的跡象，立刻將前饋信號切換為最佳的前饋信號，以保障系 統的穩定性； 步驟二：設計前饋信號自適應學習控制器三個參數ｕ↓［ｆ↓［０］］，ε，ｋ ｕ↓［ｆ↓［０］］（θ），θ∈［－Ｔ，０］...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：蔡開元，全權，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]
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