本发明涉及自抗扰控制，具体涉及一种基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法。
背景技术：
1、控制力矩陀螺(cmg)是航天器和导弹等高精度姿态控制系统中不可或缺的核心部件。控制力矩陀螺因其具有2个独立的驱动轴和力矩控制能力，可以实现精确的3轴姿态调整，在航天航空领域得到广泛应用。
2、控制力矩陀螺中的高速转子提供稳定的角动量，通过低速框架进行旋转，改变角动量的方向，使得cmg对外输出力矩，以此来调节卫星等航天器的姿态。由此可见，低速框架的转动速度的高精度控制是cmg实现对卫星高精度位姿调控的重要环节。目前，cmg框架转速的控制通常是pid等传统的控制方法，控制器的设计并没有与模型结合起来。如今，动力学相关领域发展迅速，对cmg建模与分析的方向不断深耕，已经取得较大成果。所以将模型与控制器的设计结合起来，提出更优的控制器算法，提高对框架运动的精度与稳定度。
3、自抗扰控制(active disturbance rejection control，adrc)是一种在工程中应用较多的控制算法，它的优点是可以不基于精准的数学模型，也可以达到一定的控制效果。但是，如果基于一定的模型信息，有利于提升控制器的最终的控制效果，有部分学者将速度信息、电流信息等传感器测得信息作为模型补偿补偿到控制器的设计中，虽然此种方法利用模型信息提升了系统的控制性能，但是并没有深度结合所建立的动力学信息。所以，需提出一种结合动力学模型信息的自抗扰控制方法来提升cmg框架的控制精度。
4、在机器人领域中，常用到动力学前馈补偿的控制方法，它具体为将传感器采集的信息作为输入，输入到动力学模型或者逆动力学模型中，求得需要补偿的加速度、力矩和电流等信息将它们前馈给控制器。这一方法对控制器的硬件性能较高，需要控制器实时对动力学模型进行求解，并且做到求解的实时性与高精度。基于此，本发明所提出的结合动力学模型信息的自抗扰控制算法，也是通过传感器测的数据，通过动力学模型求解模型补偿量，由于对计算效率有一定要求，提出了一种数据驱动的办法来对模型补偿量进行求解，以实现在对cmg的控制中，对模型补偿量的快速求解。
技术实现思路
1、本发明为了解决以上问题，提出了一种基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法。
2、本发明的技术方案是：一种基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法包括以下步骤：
3、s1、为控制力矩陀螺构建机电摩擦动力学模型；
4、s2、根据控制力矩陀螺的机电摩擦动力学模型，得到控制力矩陀螺的加加速度；
5、s3、根据控制力矩陀螺的加加速度，确定补偿量；
6、s4、根据补偿量，确定自抗扰控制。
7、进一步地，s1中，机电摩擦动力学模型的表达式为：
8、
9、式中，a为12个自由度的位移，为12个自由度的速度，为12个自由度的加速度，[m]为质量矩阵，[c]为阻尼矩阵，[g]为陀螺矩阵，[k]为刚度矩阵，f(t)为输入的电磁扭矩以及其他的干扰力矩。
10、进一步地，s2包括以下子步骤：
11、s21、根据控制力矩陀螺的机电摩擦动力学模型，构建运动方程；
12、s22、确定总干扰；
13、s23、根据运动方程和总干扰，确定控制力矩陀螺的加加速度。
14、进一步地，s21中，运动方程的表达式为：
15、
16、式中，为控制力矩陀螺的加加速度，b0为系统增益，uq为电流，m0为电机属性对加加速度的影响，q1为自身柔性对加加速度的影响，q2为其他自由度对加加速度的影响，h为对外部未知干扰的导数。
17、进一步地，s22中，总干扰ccal的计算公式为：
18、ccal＝mo+q1+q2；
19、式中，mo为电机属性对加加速度的影响，q1为自身柔性对加加速度的影响，q2为其他自由度对加加速度的影响。
20、进一步地，s23中，控制力矩陀螺的加加速度的计算公式为：
21、
22、式中，b0为系统增益，uq为电流，ccal为总干扰，h为对外部未知干扰的导数。
23、进一步地，s3中，将控制力矩陀螺的加速度输入至依次连接的输入层、隐藏层和输出层中，得到补偿量。
24、进一步地，s4包括以下子步骤：
25、s41、根据控制力矩陀螺的加速度和补偿量，确定扩张状态观测；
26、s42、根据扩张状态观测，确定自抗扰控制。
27、进一步地，s41中，扩张状态观测包括对速度估计值的导数、对加速度估计值的导数以及对未知干扰估计的导数；
28、其中，对速度估计值的导数的计算公式为：
29、
30、式中，z1为对速度的估计值，z2为对加速度的估计值，l1为观测器的第一增益参数，为实际速度；
31、对加速度估计值的导数的计算公式为：
32、
33、式中，b0为系统增益，uq为电流，z3为对未知干扰的估计值，l2为观测器的第二增益参数，cpre为补偿量；
34、对未知干扰估计的导数的计算公式为：
35、
36、式中，l3为观测器的第三增益参数。
37、进一步地，s42中，自抗扰控制u的计算公式为：
38、
39、
40、式中，u0为反馈控制器的输出，cpre为补偿量，z1为对速度的估计值，z2为对加速度的估计值，z3为对未知干扰的估计值，b0为系统增益，kp为控制器的第一增益，kd为控制器的第二增益，为转速的目标速度。
41、本发明的有益效果是：
42、(1)本发明在自抗扰控制的扩张状态观测器中利用数据驱动技术，根据传感器的值，然后通过提前训练好的神经网络模型得到模型补偿量，有助于提升观测器对未知干扰的估计的准确性；
43、(2)本发明在控制器中同样通过数据驱动得到前馈补偿量，将补偿量提供给控制器能够提升系统的控制精度；
44、(3)本发明在数据驱动前馈补偿下，系统对阶跃响应的在超调量、调节时间和抗干扰性等方面均有所提高。
1.一种基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法，其特征在于，所述s1中，机电摩擦动力学模型的表达式为：
3.根据权利要求1所述的基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法，其特征在于，所述s2包括以下子步骤：
4.根据权利要求3所述的基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法，其特征在于，所述s21中，运动方程的表达式为：
5.根据权利要求3所述的基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法，其特征在于，所述s22中，总干扰ccal的计算公式为：
6.根据权利要求3所述的基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法，其特征在于，所述s23中，控制力矩陀螺的加加速度的计算公式为：
7.根据权利要求1所述的基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法，其特征在于，所述s3中，将控制力矩陀螺的加速度输入至依次连接的输入层、隐藏层和输出层中，得到补偿量。
8.根据权利要求1所述的基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法，其特征在于，所述s4包括以下子步骤：
9.根据权利要求8所述的基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法，其特征在于，所述s41中，扩张状态观测包括对速度估计值的导数、对加速度估计值的导数以及对未知干扰估计的导数；
10.根据权利要求8所述的基于数据驱动前馈补偿的控制力矩陀螺自抗扰控制方法，其特征在于，所述s42中，自抗扰控制u的计算公式为：
