基于LMI的输出跟踪自适应鲁棒无拖曳控制

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27654

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基于LMI的输出跟踪自适应鲁棒无拖曳控制

孙笑云¹^,², 吴树范¹^,²(), 沈强¹^,²

^1.上海交通大学航空航天学院，上海　200240
^2.上海市引力波探测前沿科学研究基地，上海　200240

收稿日期:2022-06-01 修回日期:2022-06-20 接受日期:2022-07-23 出版日期:2023-06-25 发布日期:2022-07-25
通讯作者: 吴树范 E-mail:shufan.wu@sjtu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2020YFC2200800);国家自然科学基金青年科学基金(62103275);上海市自然科学基金面上项目(20ZR1427000)

LMI-based output tracking robust drag-free control with model reference adaptive scheme

Xiaoyun SUN¹^,², Shufan WU¹^,²(), Qiang SHEN¹^,²

^1.School of Aeronautics and Astronautics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 　200240，China
^2.Shanghai Frontier Science Center for Gravitational Wave Detection，Shanghai 　200240，China

Received:2022-06-01 Revised:2022-06-20 Accepted:2022-07-23 Online:2023-06-25 Published:2022-07-25
Contact: Shufan WU E-mail:shufan.wu@sjtu.edu.cn
Supported by:
National Key Research and Development Program(2020YFC2200800);Youth Program of National Natural Science Foundation of China(62103275);Natural Science Foundation of Shanghai(20ZR1427000)

摘要/Abstract

摘要：

针对空间引力波探测航天器平台稳定姿态控制问题，提出一种改进的多变量模型参考自适应控制（MRAC）方案，应用于探测航天器平台无拖曳控制回路中，实现控制系统闭环鲁棒性的提升，抑制与系统输入相匹配的有界附加干扰和参数不确定性。考虑系统状态不易直接获得，MRAC方案的设计基于输出反馈和输出调节；为提高闭环系统鲁棒性，设计自适应修正项，该修正项的得出基于通过稳定性分析构造的线性矩阵不等式组（LMIs）的解。基于Lyapunov方法的稳定性分析验证了各信号的闭环稳定性，数值仿真验证了无拖曳自由度在面临非线性不确定性和附加干扰时的良好鲁棒性。

关键词: 输出跟踪, 鲁棒控制, 模型参考自适应控制, 无拖曳控制, 空间引力波探测

Abstract:

Aiming at the problem of ultra-stable and high precision attitude control of spacecraft platform for the mission of space gravitational wave detection， an enhanced multivariable robust Model Reference Adaptive Control （MRAC） scheme is proposed. To realize the closed-loop robustness of all the output signals， and suppress bounded external disturbances and parametric uncertainties that match the system input， this scheme is applied to the drag-free control loop of detection spacecraft platform. Considering that the system state is uneasy to obtain directly， the design of the MRAC scheme is based on the output feedback and output regulation. To improve the robustness， an adaptive correction term is derived based on solutions to systems of Linear Matrix Inequalities （LMIs） constructed by stability analysis. The Lyapunov analysis verifies the closed-loop stability of each signal， and the numerical simulation verifies the good robustness of the drag-free DOF in the face of nonlinear uncertainties and additional disturbances.

Key words: output tracking, robust control, model reference adaptive control, drag-free control, space gravitational wave detection

中图分类号:

V448.2

孙笑云, 吴树范, 沈强. 基于LMI的输出跟踪自适应鲁棒无拖曳控制[J]. 航空学报, 2023, 44(S1): 727654-727654.

Xiaoyun SUN, Shufan WU, Qiang SHEN. LMI-based output tracking robust drag-free control with model reference adaptive scheme[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(S1): 727654-727654.

图/表 3

参考文献 22

1	FICHTER W， GATH P， VITALE S， et al. LISA Pathfinder drag-free control and system implications［J］. Classical and Quantum Gravity， 2005， 22（10）： S139-S148.
2	邓剑峰，蔡志鸣，陈琨，等. 无拖曳控制技术研究及在我国空间引力波探测中的应用［J］. 中国光学， 2019， 12（3）： 503-514.
	DENG J F， CAI Z M， CHEN K， et al. Drag-free control and its application in China’s space gravitational wave detection［J］. Chinese Optics， 2019， 12（3）： 503-514 （in Chinese）.
3	MOBLEY F， FOUNTAIN G， SADILEK A， et al. Electromagnetic suspension for the tip-II satellite［J］. IEEE Transactions on Magnetics， 1975， 11（6）： 1712-1716.
4	胡明，李洪银，周泽兵. 无拖曳控制技术及其应用［J］. 载人航天， 2013， 19（2）： 61-69.
	HU M， LI H Y， ZHOU Z B. Drag-free control technology and its applications［J］. Manned Spaceflight， 2013， 19（2）： 61-69 （in Chinese）.
5	FICHTER W， SCHLEICHER A， BENNANI S， et al. Closed loop performance and limitations of the LISA pathfinder drag-free control system：AIAA-2007-6732［R］. Reston： AIAA， 2007.
6	吴树范，王楠，龚德仁. 引力波探测科学任务关键技术［J］. 深空探测学报， 2020， 7（2）： 118-127.
	WU S F， WANG N， GONG D R. Key technologies for space science gravitational wave detection［J］. Journal of Deep Space Exploration， 2020， 7（2）： 118-127 （in Chinese）.
7	付海清，吴树范，刘梅林，等.基于干扰观测器的空间惯性传感器自适应控制［J/OL］.北京航空航天大学学报（2022-05-17）［2022-06-01］..
	FU H Q， WU S F， LIU M L， et al. Disturbance-observer based adaptive control for space inertial sensor［J/OL］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics（2022-05-17）［2022-06-01］. （in Chinese）.
8	郝伟丞. 基于高增益观测器的单质量无拖曳控制研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2021.
	HAO W C. Single mass drag-free control based on the high-gain observer［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2021 （in Chinese）.
9	王楠. 深空引力波探测的无拖曳控制技术研究［D］. 上海：上海交通大学， 2020.
	WANG N. The research on drag-free control technology for deep space gravitational wave detection［D］. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2020 （in Chinese）.
10	MCNAMARA P， VITALE S， DANZMANN K. LISA Pathfinder［J］. Classical and Quantum Gravity， 2008， 25（11）： 114034.
11	WU S F， FERTIN D.Spacecraft drag-free attitude control system design with quantitative feedback theory［J］. Acta Astronautica， 2008， 62（12）： 668-682.
12	LIAN X B， ZHANG J X， LU L， et al. Frequency separation control for drag-free satellite with frequency-domain constraints［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2021， 57（6）： 4085-4096.
13	张锦绣，董晓光，曹喜滨. 基于无速度测量的无拖曳卫星自适应控制方法［J］. 宇航学报， 2014， 35（4）： 447-453.
	ZHANG J X， DONG X G， CAO X B. An adaptive controller for drag-free satellites without velocity measurement［J］. Journal of Astronautics， 2014， 35（4）： 447-453 （in Chinese）.
14	GUO J X， TAO G， LIU Y. A multivariable MRAC scheme with application to a nonlinear aircraft model［J］. Automatica， 2011， 47（4）： 804-812.
15	FENG G. A robust approach to adaptive control algorithms［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 1994， 39（8）： 1738-1742.
16	FENG G， CAO S G， REES N W. Stable adaptive control of fuzzy dynamic systems［J］. Fuzzy Sets and Systems， 2002， 131（2）： 217-224.
17	WU S F， GIULICCHI L， FENAL T， et al. Attitude stabilization of LISA Pathfinder spacecraft using colloidal micro-Newton thrusters AIAA-2010-8198［R］. Reston： AIAA， 2010.
18	SONG G， TAO G. A partial-state feedback model reference adaptive control scheme［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2020， 65（1）： 44-57.
19	LU M B， LIU L， FENG G. Adaptive tracking control of uncertain Euler-Lagrange systems subject to external disturbances［J］. Automatica， 2019， 104： 207-219.
20	FRANCO R， RÍOS H， DE LOZA A F， et al. A robust nonlinear model reference adaptive control for disturbed linear systems： An LMI approach［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2022， 67（4）： 1937-1943.
21	刘伟，高扬. 空间引力波探测中无拖曳控制方法研究［J］. 中国科学：物理学力学天文学， 2020， 50（7）： 112-122.
	LIU W， GAO Y. Drag-free control methods for space-based gravitational-wave detection［J］. Scientia Sinica （Physica， Mechanica & Astronomica）， 2020， 50（7）： 112-122 （in Chinese）.
22	马浩君，韩鹏，高东，等. 深空双质量块无拖曳卫星H_∞鲁棒控制器设计［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2021， 53（2）： 1-13.
	MA H J， HAN P， GAO D， et al. H_∞ robust controller design for deep space drag-free satellite with two test masses［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2021， 53（2）： 1-13 （in Chinese）.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	刘培栋, 焦博涵, 党朝辉. 面向空间引力波探测的多边形编队设计方法[J]. 航空学报, 2022, 43(S1): 726907-726907.
[2]	杨晓伟, 葛曜文, 邓文翔, 姚建勇, 周宁. 航空发动机导叶控制机构作动筒主动容错控制[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 625464-625464.
[3]	刘德元, 刘昊, Frank L LEWIS. 尾座式无人飞行器鲁棒容错编队控制[J]. 航空学报, 2021, 42(2): 324296-324296.
[4]	刘昊, 王巍, 金伟, 牛文超, 杨智春. 垂尾抖振响应的鲁棒-FxLMS主动控制试验[J]. 航空学报, 2021, 42(2): 224090-224090.
[5]	刘付成, 朱东方. 考虑连接非线性的大型桁架天线分散协调控制[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524890-524890.
[6]	郭建国, 鲁宁波, 周军. 高超声速飞行器有限时间耦合模糊控制[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 623838-623838.
[7]	岳欣, 姚建勇. 基于积分鲁棒的电液负载模拟器渐近跟踪控制[J]. 航空学报, 2017, 38(2): 420269-420278.
[8]	夏国清, 栾添添, 孙明晓, 仲伟东, 刘彦文. 考虑调运时间的舰载机备件供应系统模糊优化[J]. 航空学报, 2017, 38(12): 321234-321234.
[9]	刘宇超, 郭建国, 周军, 王国庆. 基于新型快速Terminal滑模的高超声速飞行器姿态控制[J]. 航空学报, 2015, 36(7): 2372-2380.
[10]	黄静, 李传江, 马广富. 欠驱动直连式三体绳系卫星非线性姿态跟踪控制[J]. 航空学报, 2015, 36(6): 1995-2004.
[11]	刘鹏, 王强, 蒙志君, 武哲. 基于飞行品质评估的无人直升机鲁棒控制器设计[J]. 航空学报, 2012, 33(9): 1587-1597.
[12]	黄静, 刘刚, 马广富. 直连式三体绳系卫星姿态鲁棒最优跟踪控制[J]. 航空学报, 2012, (4): 679-687.
[13]	张保群, 宋申民, 陈兴林. 编队卫星分布式鲁棒饱和姿态协同控制[J]. 航空学报, 2011, 32(9): 1644-1655.
[14]	曾宪法, 王洁瑶, 王小虎, 王铁军. 基于SMDO的滑模控制器设计及其在导弹上的应用[J]. 航空学报, 2011, 32(5): 873-880.
[15]	沈毅, 刘皓. 基于时滞不确定理论的导弹鲁棒控制系统设计[J]. 航空学报, 2011, 32(3): 473-479.

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LMI-based output tracking robust drag-free control with model reference adaptive scheme

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