一类非线性系统鲁棒控制方法研究_梁春辉著_9787566137777_湖南知新文化传播有限公司读者荐购服务

　　小天体距离地球较远，具有尺寸小、引力较弱以及自旋等特点，探测器在绕飞、接近和着陆小天体过程中还会受到太阳光压、第三体引力等空间多种摄动力影响。本书针对探测器在小天体附近运动过程中遇到的系统不确定性和外界干扰以及对探测器下降着陆过程安全性准确性的要求，研究了探测器动力下降段和最终着陆段的轨道控制方法，建立了具有鲁棒性和和自适应性的控制方法，保证探测器成功绕飞、下降和软着陆。研究了探测器动力下降过程的姿态控制问题。研究了探测器软着陆过程中的姿轨耦合控制问题。并将所提出的鲁棒控制方法推广到一类典型非线性系统的建模和稳定控制中。

　　小天体是指太阳系中除了行星和卫星之外的数不清的小行星和彗星，它们大部分直径在100km以下。小天体的形成是与太阳系同步进行的，较好地保留了太阳系形成初期的物质。受空间太阳光压和大行星引力等影响，当运行轨道发生改变，小天体可能会接近地球甚至发生撞击，因此开展对小天体的探测和深入研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
　　小天体距离地球较远，具有尺寸小、引力较弱及自旋等特点，探测器在绕飞、接近和着陆小天体过程中还会受到太阳光压、第三体引力等空间多种摄动力影响。所以探测器在小天体附近的动力学模型呈现显著非线性，不确定性和扰动加深了其动力学环境的复杂性。因此，具有典型非线性特性的小天体附近探测器运动的自主制导与控制技术是整个探测技术的关键。相比于月球等较大天体，小天体附近探测器运动的制导与控制具有一定的难度，研究成果还较少，目前有很多待解决的问题。比如小天体附近探测器所受到的不规则弱引力的处理和描述问题，探测器在小天体附近运动的轨道控制、姿态调整和姿轨耦合控制问题。探测器在小天体附近受到的系统不确定性和空间扰动增加了系统动力学分析及控制的复杂性，具有鲁棒性和自适应性的控制方法是保证探测器成功绕飞、下降和软着陆的关键技术。从国内外的研究现状来看，对于小天体附近探测器运动系统，很多学者从航天领域出发研究导航、轨道机动和设计、基于相对运动模型的轨道控制设计。然而探究探测器在小天体附近绕飞及下降着陆过程中的姿态和轨道耦合控制也是必要的，控制器设计过程中的自主性、鲁棒性和自适应性也是研究的重点问题。
　　本书针对存在模型不确定性和外界干扰时小天体附近探测器运动的轨道和姿态控制问题，进行了深入、系统的探讨和研究，全书的主要内容及研究工作如下：
　　1.阐述了研究背景和研究意义，对小天体探测及小天体附近探测器运动的国内外研究现状及研究的关键问题进行了综述。
　　2.利用牛顿运动定律和相对微分原理，推导出小天体固连坐标系下探测器下降过程轨道动力学模型；在此基础上，基于坐标变换思想推导出着陆点坐标系下探测器着陆过程轨道动力学模型：根据刚体复合运动关系和欧拉一牛顿法详细推导了探测器在自旋小天体附近运动的姿态运动学和动力学模型；最后根据执行机构的安装方式不同，得到了探测器在最终着陆段的两种姿轨耦合动力学模型表述方法。
　　3.针对探测器在小天体附近运动过程中遇到的系统不确定性和外界干扰及对探测器下降着陆过程安全性、准确性的要求，研究了探测器动力下降段和最终着陆段的轨道控制方法。首先，参考Apollo登月任务设计燃料次最优多项式制导轨迹。其次，基于一类轨迹跟踪控制思想，针对探测器在小天体附近下降过程中遇到的不确定性和扰动，利用李雅普诺夫函数提出了带有补偿项的终端滑模控制器，采用自适应律估计系统不确定性和外界扰动上界的未知参数，使探测器在有限时间内跟踪期望制导轨迹到达天体表面某一高度，并具有全局鲁棒性。最后，考虑到探测器在小天体附近最终着陆时遇到的外界干扰并保证着陆过程的安全性，基于动态平面控制思想，结合传统的反演技术，设计鲁棒跟踪控制策略，使得探测器的位置和速度达到期望轨迹，安全降落到着陆点附近，并使控制算法简单快速。
　　4.探测器绕飞过程中要对目标天体进行形状和参数的观测，但是小天体不规则引力、天体自旋、空间不确定性和扰动的影响可能会破坏探测器的绕飞过程从而导致探测任务失败，针对以上问题研究了探测器绕飞自旋小天体的姿态控制问题。首先，以简化的探测器姿态动力学模型为对象，分析了探测器在小天体附近绕飞过程中的三维姿态运动与转动惯量和轨道半径等参数的关系，应用赫尔维茨稳定判据得到探测器绕飞的稳定条件。其次，考虑天体自旋、空间不确定性和干扰力矩，设计了鲁棒反演滑模姿态跟踪控制律，采用自适应更新律估计未知扰动的上界，使探测器三轴姿态欧拉角达到期望值，实现稳定绕飞。
　　5.针对传统滑模控制存在的抖振和探测器动力下降段对姿态调整的要求，研究了探测器动力下降过程的姿态控制问题。首先，给出动态滑模的定义和任意阶动态滑模的设计步骤及思想。其次，设计双环滑模控制器，其中外环回路采用二阶动态滑模，而内环回路采用一阶动态滑模，利用控制器的积分项消除了抖振：并采用自适应律在线估计复合干扰的上界，有效抑制其影响，实现姿态角的稳定跟踪。最后，针对探测器可能受到的较强干扰影响，设计双环滑模控制器，采用非线性干扰观测器在线观测内环回路受到的外界扰动，对于干扰观测器的估计误差，采用自适应律在线获得上界并设计补偿项，保证系统的鲁棒性。
　　6.为了保证探测器准确、安全地最终到达小天体表面附近，探测器运动的位置和姿态需要快速地同时满足高精度的控制要求，针对以上问题研究了探测器软着陆过程中的姿轨耦合控制问题。首先，考虑执行机构配置方案能够保证有足够的控制维数提供相对位姿变化所需要的控制，提出一种基于反演的六自由度鲁棒自适应模糊控制策略，采用模糊系统逼近系统不确定性和扰动引起的部分模型，并采用自适应律在线更新模糊系统的最优逼近参数，使探测器位置和姿态同时跟踪期望的轨迹，并保证系统的鲁棒性。其次，为实现快速的轨道机动，往往在探测器本体上仅配置一台大推力轨道发动机。针对这种执行机构配置方案所引起的控制器设计中存在的非线性问题，结合反演思想和三角函数变换方法，并考虑系统受到外界扰动影响，提出了鲁棒姿轨耦合控制律，保证探测器在最终着陆时相对着陆点的位姿为期望值。并证明了所提出的闭环系统的李雅普诺夫稳定性。
　　7.将所提出的鲁棒控制算法推广到一类典型非线性系统稳定控制技术中。基于反馈线性化理论，研究了一种用于双向DC/DC变换器直流母线电压控制系统的滑模控制器，用于快速跟踪直流微电网中的功率干扰，对系统参数变化和外部干扰具有良好的鲁棒性。
　　最后，总结本书的内容，并结合笔者在小天体自主制导和控制、鲁棒控制和自适应控制等方面的研究心得，做出了对未来的研究展望和下一步的工作计划。
　　本书由梁春辉副教授撰写。本书在撰写过程中，得到了部分研究生的支持和协助，他们校对了全书并绘制了部分插图。
　　对于书中存在的疏漏和不足之处，恳请广大读者不吝指正。

你还可能感兴趣

我要评论