基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法及设备

技术领域

本发明涉及特种气体回收技术领域，尤其涉及一种基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法及设备。

背景技术

航天器在空中飞行的时候需要调整姿态，主要技术手段是采用高压电将氙气电离成离子，喷出后推动航天器运动或调整姿态。航天器在上天前需要进行地面实验，例如在太空舱模拟实验中，需要将电离后喷出的氙气从舱内再回收利用，回收后的氙气中不但掺入了空气，而且还有石墨和金属颗粒等固体杂质，必须剔除这些固体杂质，而剔除过程需要在预定的温度和压力下才能实现。目前相关技术只能将温度及压力控制在一个范围内浮动，导致剔除过程所在的环境并不是很稳定，直接降低了氙气的回收纯度及回收效率，而如果保持冗余过低温度，又会浪费大量的能源。将温度及压力保持在预定数值上，其难点主要在于无法精确获知低温高压环境中的温度及压力的实时数值，这主要是因为还没有常规的传感器能够置于液化氙气所需的极低温及高压环境中（至少-109.1摄氏度，5.84MPa）进行温压检测，所以也就无法做到精确控制。因此，开发一种基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法及设备，可以有效克服上述相关技术中的缺陷，就成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法及设备。

第一方面，本发明的实施例提供了一种基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，包括：

S1 构建温度和压力的二维坐标系，确定所述二维坐标系上由期望温度和期望压力组成的镇定点；

S2 构建温压数值在所述二维坐标系上的第一数值变化模型，若第一数值变化模型为可观测的，根据可观测的定义将第一数值变化模型转换为第二数值变化模型；

S3 针对第二数值变化模型构建面向温度转化状态及压力转化状态的状态观测器，并得到状态观测器的状态观测误差模型，根据所述状态观测器构建第二数值变化模型的状态观测控制器；

S4 采用所述状态观测控制器对第一数值变化模型和状态观测误差模型进行控制，将二维坐标系上的温度及压力控制到所述镇定点处保持不变，并确保所述状态观测误差方程收敛到零。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，所述确定所述二维坐标系上由期望温度和期望压力组成的镇定点，包括：

(1)

其中，h(T,P)为镇定点的函数表达；T为温度坐标数值；P为压力坐标数值；

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，所述构建温压数值在所述二维坐标系上的第一数值变化模型，包括：

(2)

其中，k为温压变化系数，为定常数；

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，所述若第一数值变化模型为可观测的，其中可观测性定义为：若根据第一数值变化模型的输入、输出、输入对时长的导数及输出对时长的导数可以位移确定所述第一数值变化模型的所有状态变量，则所述第一数值变化模型是可观测的；针对第一数值变化模型，具体包括：

，/>

其中，

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，所述根据可观测的定义将第一数值变化模型转换为第二数值变化模型，包括：

(4)

其中，

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，所述针对第二数值变化模型构建面向温度转化状态及压力转化状态的状态观测器，并得到状态观测器的状态观测误差模型，包括：

(5)

其中，

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，所述根据所述状态观测器构建第二数值变化模型的状态观测控制器，包括：

(6)

其中，

第二方面，本发明的实施例提供了一种基于状态观测的电推进氙气回收温压控制装置，包括：第一主模块，用于实现构建温度和压力的二维坐标系，确定所述二维坐标系上由期望温度和期望压力组成的镇定点；第二主模块，用于实现构建温压数值在所述二维坐标系上的第一数值变化模型，若第一数值变化模型为可观测的，根据可观测的定义将第一数值变化模型转换为第二数值变化模型；第三主模块，用于实现针对第二数值变化模型构建面向温度转化状态及压力转化状态的状态观测器，并得到状态观测器的状态观测误差模型，根据所述状态观测器构建第二数值变化模型的状态观测控制器；第四主模块，用于实现采用所述状态观测控制器对第一数值变化模型和状态观测误差模型进行控制，将二维坐标系上的温度及压力控制到所述镇定点处保持不变，并确保所述状态观测误差方程收敛到零。

第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：

至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，

所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法。

第四方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

本发明实施例提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法及设备，通过在二维坐标系确定温压镇定点，构建可观测的第一数值变化模型，将第一数值变化模型转换为第二数值变化模型，构建状态观测器和状态观测误差模型，最终得到第二数值变化模型的状态观测控制器，对第一数值变化模型和状态观测误差模型进行控制，可以将二维坐标系上的温度及压力控制到所述镇定点处保持不变，并确保所述状态观测误差方程收敛到零，实现对温度及压力的精确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的状态观测误差效果示意图；

图5为本发明实施例提供的控制初始温压点数值至期望温压点数值效果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明实施例提供了一种基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，参见图1，该方法包括：

S1 构建温度和压力的二维坐标系，确定所述二维坐标系上由期望温度和期望压力组成的镇定点；

S2 构建温压数值在所述二维坐标系上的第一数值变化模型，若第一数值变化模型为可观测的，根据可观测的定义将第一数值变化模型转换为第二数值变化模型；

S3 针对第二数值变化模型构建面向温度转化状态及压力转化状态的状态观测器，并得到状态观测器的状态观测误差模型，根据所述状态观测器构建第二数值变化模型的状态观测控制器；

S4 采用所述状态观测控制器对第一数值变化模型和状态观测误差模型进行控制，将二维坐标系上的温度及压力控制到所述镇定点处保持不变，并确保所述状态观测误差方程收敛到零。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，所述确定所述二维坐标系上由期望温度和期望压力组成的镇定点，包括：

(1)

其中，h(T,P)为镇定点的函数表达；T为温度坐标数值；P为压力坐标数值；

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，所述构建温压数值在所述二维坐标系上的第一数值变化模型，包括：

(2)

其中，k为温压变化系数，为定常数；

具体的，由于温度坐标数值T及压力坐标数值P无法直接得到，所以无法直接设计控制器，需要根据测量输出设计状态观测控制器，即首先根据测量输出设计状态观测器估计待控温压氙气回收系统的温压状态, 然后用估计的温压状态代替真实状态得到实用级别的状态观测控制器。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，所述若第一数值变化模型为可观测的，其中可观测性定义为：若根据第一数值变化模型的输入、输出、输入对时长的导数及输出对时长的导数可以位移确定所述第一数值变化模型的所有状态变量，则所述第一数值变化模型是可观测的；针对第一数值变化模型，具体包括：

，/>

其中，

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，所述根据可观测的定义将第一数值变化模型转换为第二数值变化模型，包括：

(4)

其中，

具体的，对第一数值变化模型进行求导可以得到：

令

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，所述针对第二数值变化模型构建面向温度转化状态及压力转化状态的状态观测器，并得到状态观测器的状态观测误差模型，包括：

(5)

其中，

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，所述根据所述状态观测器构建第二数值变化模型的状态观测控制器，包括：

(6)

其中，

其中需要说明的是，本发明所有实施例中的所有求导、一次偏导及二次偏导均最终等效为对时长求导，即最终是对时长求导，通篇不再赘述。

本发明实施例提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法，通过在二维坐标系确定温压镇定点；构建可观测的第一数值变化模型，将第一数值变化模型转换为第二数值变化模型，构建状态观测器和状态观测误差模型，最终得到第二数值变化模型的状态观测控制器，对第一数值变化模型和状态观测误差模型进行控制，可以将二维坐标系上的温度及压力控制到所述镇定点处保持不变，并确保所述状态观测误差方程收敛到零，实现对温度及压力的精确控制。

本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，可以将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供了一种基于状态观测的电推进氙气回收温压控制装置，该装置用于执行上述方法实施例中的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制方法。

参见图2本发明实施例提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制装置结构示意图;该装置包括：

第一主模块，用于实现构建温度和压力的二维坐标系，确定所述二维坐标系上由期望温度和期望压力组成的镇定点；第二主模块，用于实现构建温压数值在所述二维坐标系上的第一数值变化模型，若第一数值变化模型为可观测的，根据可观测的定义将第一数值变化模型转换为第二数值变化模型；第三主模块，用于实现针对第二数值变化模型构建面向温度转化状态及压力转化状态的状态观测器，并得到状态观测器的状态观测误差模型，根据所述状态观测器构建第二数值变化模型的状态观测控制器；第四主模块，用于实现采用所述状态观测控制器对第一数值变化模型和状态观测误差模型进行控制，将二维坐标系上的温度及压力控制到所述镇定点处保持不变，并确保所述状态观测误差方程收敛到零。

本发明实施例提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制装置，采用图2中的若干模块，通过在二维坐标系确定温压镇定点；构建可观测的第一数值变化模型，将第一数值变化模型转换为第二数值变化模型，构建状态观测器和状态观测误差模型，最终得到第二数值变化模型的状态观测控制器，对第一数值变化模型和状态观测误差模型进行控制，可以将二维坐标系上的温度及压力控制到所述镇定点处保持不变，并确保所述状态观测误差方程收敛到零，实现对温度及压力的精确控制。

需要说明的是，本发明提供的装置实施例中的装置，除了可以用于实现上述方法实施例中的方法外，还可以用于实现本发明提供的其他方法实施例中的方法，区别仅仅在于设置相应的功能模块，其原理与本发明提供的上述装置实施例的原理基本相同，只要本领域技术人员在上述装置实施例的基础上，参考其他方法实施例中的具体技术方案，通过组合技术特征获得相应的技术手段，以及由这些技术手段构成的技术方案，在保证技术方案具备实用性的前提下，就可以对上述装置实施例中的装置进行改进，从而得到相应的装置类实施例，用于实现其他方法类实施例中的方法。例如：

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制装置，还包括：第一子模块，用于实现所述确定所述二维坐标系上由期望温度和期望压力组成的镇定点，包括：

(1)

其中，h(T,P)为镇定点的函数表达；T为温度坐标数值；P为压力坐标数值；

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制装置，还包括：第二子模块，用于实现所述构建温压数值在所述二维坐标系上的第一数值变化模型，包括：

(2)

其中，k为温压变化系数，为定常数；

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制装置，还包括：第三子模块，用于实现所述若第一数值变化模型为可观测的，其中可观测性定义为：若根据第一数值变化模型的输入、输出、输入对时长的导数及输出对时长的导数可以位移确定所述第一数值变化模型的所有状态变量，则所述第一数值变化模型是可观测的；针对第一数值变化模型，具体包括：

，/>

其中，

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制装置，还包括：第四子模块，用于实现所述根据可观测的定义将第一数值变化模型转换为第二数值变化模型，包括：

(4)

其中，

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制装置，还包括：第五子模块，用于实现所述针对第二数值变化模型构建面向温度转化状态及压力转化状态的状态观测器，并得到状态观测器的状态观测误差模型，包括：

(5)

其中，

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于状态观测的电推进氙气回收温压控制装置，还包括：第六子模块，用于实现所述根据所述状态观测器构建第二数值变化模型的状态观测控制器，包括：

(6)

其中，

本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。

基于此目的，图3为本发明的实施例提供了一种电子设备。如图3所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、至少一个存储器(memory)和通信总线，其中，至少一个处理器，通信接口，至少一个存储器通过通信总线完成相互间的通信。至少一个处理器可以调用至少一个存储器中的逻辑指令，以执行前述各个方法实施例提供的方法的全部或部分步骤。

本发明控制的效果可以参见图4及图5。

由图4为本发明实施例提供的状态观测误差效果示意图；其中，t为时长，由图4中可知，

图5为本发明实施例提供的控制初始温压点数值至期望温压点数值效果示意图。图5中温压在初始时刻处于初始温压点501处，经过状态观测控制器u对温度及压力的控制后，最终被镇定至期望温压点502处，说明状态观测控制器u可以精确控制氙气回收过程中的环境温度及压力。

此外，上述的至少一个存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个方法实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的一些部分所述的方法。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。基于这种认识，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。