石琳1,代洪华1,王昌涛1,董一超1,王玥博2,王亚敏3
摘要: 本文针对动力学非线性强、计算实时性要求高的在线跟踪控制问题,提出一种能够快速推演非线性系统状态的高效控制方法,并应用于地月紧急返航的轨道跟踪问题。该方法以具有非线性系统的控制和即时误差修正能力的非线性模型预测控制(Nonlinear Model Predictive Control,NMPC)为基本控制框架,利用NMCP将长时域控制问题转化为短时域最优问题的求解结构,通过减少约束处理量、单次问题的求解难度,来降低计算复杂度,使算法具有动态响应能力,增强算法的鲁棒性,实现复杂动态系统在线优化控制。结合微分代数(Differential Algebra,DA)构建NMPC中的数乘预测模型,用高效数乘代替低效的传统数值积分方法,实现了非线性动力学模型的高效解算,进一步提高了方法在线校正的实时性。最后在地月返航轨道控制问题中验证了所提方法的高效性,所提方法通过跟踪设计的大脉冲轨道进行连续制动完成地月紧急返航任务并使航天器高精度返回再入点,且较经典NMPC方法的效率提高了五倍以上。此外,所提方法在初始误差和摄动干扰的影响下也能实现航天器的高精度返回,验证了方法的鲁棒性。
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