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面向空间引力波探测检验质量捕获的弹性管模型预测控制

贺雄峰 卢苇 许诺 王鹏程 张永合 崔冰 夏元清

贺雄峰, 卢苇, 许诺, 王鹏程, 张永合, 崔冰, 夏元清. 面向空间引力波探测检验质量捕获的弹性管模型预测控制[J]. 空间科学学报, 2025, 45(1): 189-200. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0009
引用本文: 贺雄峰, 卢苇, 许诺, 王鹏程, 张永合, 崔冰, 夏元清. 面向空间引力波探测检验质量捕获的弹性管模型预测控制[J]. 空间科学学报, 2025, 45(1): 189-200. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0009
HE Xiongfeng, LU Wei, XU Nuo, WANG Pengcheng, ZHANG Yonghe, CUI Bing, XIA Yuanqing. Elastic Tube Model Predictive Control for Test Mass Capture for Space-borne Gravitational Wave Detection (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(1): 189-200 doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0009
Citation: HE Xiongfeng, LU Wei, XU Nuo, WANG Pengcheng, ZHANG Yonghe, CUI Bing, XIA Yuanqing. Elastic Tube Model Predictive Control for Test Mass Capture for Space-borne Gravitational Wave Detection (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(1): 189-200 doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0009

面向空间引力波探测检验质量捕获的弹性管模型预测控制

doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0009 cstr: 32142.14.cjss.2024-0009
基金项目: 国家重点研发计划项目资助(2021YFC2202600, 2021YFC2202602)
详细信息
    作者简介:
    • 贺雄峰 男, 1999年9月出生于贵州省, 在同济大学电子与信息工程学院获得学士学位, 在中国科学院微小卫星创新研究院攻读硕士学位, 主要研究方向为基于模型预测控制的无拖曳控制方法研究. E-mail: hexiongfeng@mail.ustc.edu.cn
    通讯作者:
    • 张永合 男, 1977年出生于山东省, 博士毕业于中国科学院大学, 主要从事航天器导航、制导与控制、时频多体动力学等方向研究, 特别是在航天器系统设计与仿真、引力波探测无拖曳编队控制等领域进行了深入的研究. E-mail: zhangyh@microsate.com
  • 中图分类号: V448.22

Elastic Tube Model Predictive Control for Test Mass Capture for Space-borne Gravitational Wave Detection

  • 摘要: 在空间引力波探测任务中, 检验质量稳定捕获是航天器进入超稳飞行状态的关键步骤. 该过程存在初始误差大、系统不确定性大、执行约束强等特点. 提出了一种基于弹性管模型预测控制的检验质量捕获控制方法, 基于滚动优化和弹性管道技术的控制结构, 提高捕获成功率, 并且充分补偿卫星对检验质量的耦合干扰; 利用小容差有效集法, 提高在线计算的求解精度, 确保检验质量的高控制精度; 同时基于特征工程方法的最小鲁棒正不变集离线修正方法, 减少基于Minkowski求和得到的最小鲁棒正不变集顶点数, 降低了在线计算复杂度. 利用该方法在航天器–双检验质量全自由度仿真平台上进行仿真验证, 结果表明控制效果满足检验质量捕获精度要求, 控制器具有鲁棒性且有效提高了收敛速度, 抑制了平台运动干扰和量测噪声的影响.

     

  • 图  1  检验质量释放过程

    Figure  1.  Test mass release phase

    图  2  坐标系定义

    Figure  2.  Definition of coordinate system

    图  3  无拖曳控制系统工作原理

    Figure  3.  Diagram of the drag-free control system principle

    图  4  弹性管道原理

    Figure  4.  Diagram of the elastic tube

    图  5  检验质量捕获控制结构

    Figure  5.  Test mass capture control diagram

    图  6  不同容差$ \varepsilon $和$ \epsilon $下检验质量捕获量测信号的对比

    Figure  6.  Comparison of test mass capture measurement signals with different tolerances $ \varepsilon $ and $ \epsilon $

    图  7  不同容差$ \varepsilon $和$ \epsilon $下检验质量捕获控制信号的对比

    Figure  7.  Comparison of test mass capture control signals with different tolerances $ \varepsilon $ and $ \epsilon $

    图  8  最小鲁棒正不变集修正

    Figure  8.  Correction of minimum robust positive invariant set

    图  10  MPC控制力

    Figure  10.  MPC control force

    图  11  MPC角位移

    Figure  11.  MPC angle displacement

    图  9  MPC线位移

    Figure  9.  MPC linear displacement

    图  12  MPC控制力矩

    Figure  12.  MPC control torque

    图  14  SMC控制力

    Figure  14.  SMC control force

    图  15  SMC角位移

    Figure  15.  SMC angle displacement

    图  13  SMC线位移

    Figure  13.  SMC linear displacement

    图  16  SMC控制力矩

    Figure  16.  SMC control torque

    图  18  ETMPC控制力

    Figure  18.  ETMPC control force

    图  19  ETMPC角位移

    Figure  19.  ETMPC angle displacement

    图  17  ETMPC线位移

    Figure  17.  ETMPC linear displacement

    图  20  ETMPC控制力矩

    Figure  20.  ETMPC control torque

    图  21  检验质量相对位移鲁棒性验证

    Figure  21.  Test mass robustness verification of relative displacement

    表  1  优化问题简化前后空间复杂度对比

    Table  1.   Comparison of spatial complexity before and after simplification of optimization problems

    简化前维度 简化后维度
    $ {e}_{N} $ 59$ N $+58=3008 19$ N $+18=968
    $ {Q}_{{t}} $ (59$ N $+58)$ \times $(59$ N $+58)=
    3008$ \times $3008
    (19$ N $+18)$ \times $(19$ N $+18)=
    968$ \times $968
    $ {P}_{{t}} $ 59$ N $+58=3008 19$ N $+18=968
    $ {A}_{{i}} $ (118$ N $+118)$ \times $(59$ N $+58)=
    6018$ \times $3008
    (38$ N $+38)$ \times $(19$ N $+18)=
    1938$ \times $968
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    表  2  检验质量释放初始状态和控制误差要求

    Table  2.   Test mass release initial states and control error requirements

    检验质量状态 初始状态 控制误差
    线位移 $ \pm 200$ μm $ < 25 $ μm
    线速度 $ \pm 5\times {10}^{-6} $ m·s–1 $ < 1\times {10}^{-6} $ m·s–1
    角位移 $ \pm 2\;\mathrm{m}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d} $ $ < 100 $ μrad
    角速度 $ \pm 1\times {10}^{-4} $ rad·s–1 $ < 1\times {10}^{-5} $ rad·s–1
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    表  3  随机噪声幅值

    Table  3.   Random noise amplitudes

    自由度 执行器噪声幅值 量测噪声幅值
    x $ < 4.35\times {10}^{-14}\; \mathrm{N} $ $ < 2.24\times {10}^{-7}\; \mathrm{m} $
    y $ < 4.41\times {10}^{-13}\; \mathrm{N} $ $ < 2.38\times {10}^{-7}\; \mathrm{m} $
    z $ < 4.68\times {10}^{-13}\; \mathrm{N} $ $ < 3.82\times {10}^{-7}\; \mathrm{m} $
    $ \varphi $ $ < 4.11\times {10}^{-15}\; \mathrm{N}·\mathrm{m} $ $ < 2.45\times {10}^{-5}\; \mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d} $
    $ \theta $ $ < 4.43\times {10}^{-15}\; \mathrm{N}·\mathrm{m} $ $ < 1.59\times {10}^{-5}\; \mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d} $
    $ \psi $ $ < 4.38\times {10}^{-15}\; \mathrm{N}·\mathrm{m} $ $ < 2.50\times {10}^{-5}\; \mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d} $
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    表  4  执行器饱和

    Table  4.   Actuator saturation constraints

    自由度控制力饱和/N自由度控制力矩饱和/(N·m)
    $ {f}_{x} $$ 1.019\times {10}^{-6} $$ {T}_{\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{l}} $1.1$ 00\times {10}^{-8} $
    $ {f}_{y} $$ 1.078\times {10}^{-6} $$ {T}_{\mathrm{p}\mathrm{i}\mathrm{t}\mathrm{c}\mathrm{h}} $1.66$ 0\times {10}^{-8} $
    $ {f}_{z} $$ 6.076\times {10}^{-7} $$ {T}_{\mathrm{y}\mathrm{a}\mathrm{w}} $$ 8.990\times {10}^{-9} $
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    表  5  MPC算法控制器参数

    Table  5.   MPC algorithm controller parameters

    x y z $ \varphi $ $ \theta $ $ \psi $
    位移 1 1 1 1 1 1
    速度 5 5 10 10 5 10
    控制 10 10 10 10 10 10
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    表  6  ETMPC位移权重

    Table  6.   ETMPC displacement weight

    x y z
    $ {\boldsymbol{Q}}_{z} $ $ \left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 100\end{array}\right] $ $ \left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 90\end{array}\right] $ $ \left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 230\end{array}\right] $
    $ {Q}_{v} $ 30 30 30
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    表  7  ETMPC姿态权重

    Table  7.   ETMPC pose weight

    $ \varphi $ $ \theta $ $ \psi $
    $ {\boldsymbol{Q}}_{z} $ $ \left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 30\end{array}\right] $ $ \left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 20\end{array}\right] $ $ \left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 400\end{array}\right] $
    $ {Q}_{v} $ 30 30 30
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    表  8  平均调节时间对比

    Table  8.   Average adjustment time comparison

    算法平均调节时间$ {t}_{\mathrm{s}} $/s
    位置SMC77.8
    MPC65.3
    ETMPC51.5
    姿态SMC72.3
    MPC68.3
    ETMPC29.8
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    表  9  仿真参数变化范围

    Table  9.   Variation range of simulation parameters

    参数 取值范围
    刚度系数/$ {\mathrm{s}}^{-2} $ [$ 5\times {10}^{-5},\;5\times {10}^{-4} $]
    初始位置/$ \mathrm{m} $ [$ 1.8\times {10}^{-4},\;2.2\times {10}^{-4} $]
    初始线速度/($ \mathrm{m}\cdot {\mathrm{s}}^{-1} $) [$ 4.5\times {10}^{-6},\;5.5\times {10}^{-6} $]
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-10
  • 修回日期:  2024-12-09
  • 网络出版日期:  2024-05-08

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