基于干扰观测器的一类组合航天器高阶全驱抗干扰控制

doi:10.7527/S1000-6893.2024.28892

全驱系统理论及其在航空航天领域的应用专栏

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

基于干扰观测器的一类组合航天器高阶全驱抗干扰控制

崔凯鑫¹, 段广仁¹^,²()

^1.哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心，哈尔滨 150001
^2.南方科技大学控制科学与技术研究中心，深圳 518055

收稿日期:2023-04-20 修回日期:2023-05-15 接受日期:2023-07-20 出版日期:2024-01-15 发布日期:2023-08-07
通讯作者: 段广仁 E-mail:g.r.duan@hit.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62188101)

High⁃order fully actuated anti⁃disturbance control for a type of combined spacecraft based on disturbance observer

Kaixin CUI¹, Guangren DUAN¹^,²()

^1.Center for Control Theory and Guidance Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China
^2.Center for Control Science and Technology，Southern University of Science and Technology，Shenzhen 518055，China

Received:2023-04-20 Revised:2023-05-15 Accepted:2023-07-20 Online:2024-01-15 Published:2023-08-07
Contact: Guangren DUAN E-mail:g.r.duan@hit.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62188101)

摘要/Abstract

摘要：

研究了一类组合航天器的高阶全驱（HOFA）抗干扰控制，其干扰包括具有未知参数的输入端干扰和常值外部干扰。首先，引入一种一般化的离散时间高阶全驱后向差分模型，并对其中的2种干扰分别进行了干扰估计。其次，基于HOFA系统框架，设计了基于干扰观测器的复合控制器，不仅可以有效抑制干扰，而且能够得到一个可任意配置特征结构的闭环系统。然后，利用参数化方法，分别建立了观测器增益矩阵和反馈控制矩阵的完全参数化形式。最后，所提方法被应用于一类实际组合航天器模拟器，仿真和试验结果验证了所提方法的有效性。

关键词: 组合航天器, 离散时间高阶全驱后向差分模型, 干扰观测器, 抗干扰控制, 参数化设计

Abstract:

This paper investigates the High-Order Fully Actuated （HOFA） anti-disturbance control for a type of actual combined spacecraft， in which disturbances include input disturbances with unknown parameters and constant external disturbances. First， a generalized discrete-time step backward HOFA model is introduced， and the disturbances are estimated for each of the two disturbances. Then， based on the HOFA system framework， a composite controller based on the disturbance observer is designed， which can not only effectively suppress disturbances， but also obtain a closed-loop system with an arbitrarily assignable eigenstructure. Secondly， the complete parameterized forms of the observer gain matrix and the feedback control matrix are established by using the parameterization method. Finally， the proposed method is applied to a type of actual combined spacecraft simulator， and the simulation and experimental results fully demonstrate the effectiveness of the proposed method.

Key words: combined spacecraft, discrete-time step backward HOFA model, disturbance observer, anti-disturbance control, parametric design

中图分类号:

V249.32

崔凯鑫, 段广仁. 基于干扰观测器的一类组合航天器高阶全驱抗干扰控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628892-628892.

Kaixin CUI, Guangren DUAN. High⁃order fully actuated anti⁃disturbance control for a type of combined spacecraft based on disturbance observer[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(1): 628892-628892.

图/表 21

表 1

常用记号

记号	含义
$I n$	$n$ 阶单位阵
$∅$	空集
$Ω \ Θ$	集合 $Θ$ 在集合 $Ω$ 中的补集
$d e t A$	矩阵 $A$ 的行列式
$A - 1$	矩阵 $A$ 的逆
$A$	矩阵 $A$ 的范数
$q - 1$	单步后向（one-step backward）运算符
$K 0 ~ n$	$[K 0 K 1 ⋯ K n], K i ∈ R m × m, i = 1,2, ⋯, n$
$Ψ (K 0 ~ n)$	$K 0 K 1 ⋯ K n I ⋱ I 0, K i ∈ R m × m, i = 1,2, ⋯, n$

表 1

图 1

表 2

组合航天器模拟器的相关参数

参数	参数符号	数值
单个气浮台质量/kg	$M$	17.2
单个气浮台转动惯量/（ $k g ⋅ m 2$ ）	$J 0$	0.24
机械臂质量/kg	$m$	1
组合体质量/kg	$M c$	35.4
机械臂长度/m	$l$	1.2
两气浮台质心距离	$L$	式（1）
组合体的转动惯量	$J c$	式（2）
采样时间/s	$T s$	0.2
最大推力/N		0.2

表 2

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

参考文献 24

1	王益平，赵育善，师鹏，等. 捕获目标后组合体航天器抗干扰自适应控制［J］. 中国空间科学技术， 2015， 35（6）： 20-28.
	WANG Y P， ZHAO Y S， SHI P， et al. Adaptive control for stabilizing the coupling system with disturbance after capturing spacecraft［J］. Chinese Space Science and Technology， 2015， 35（6）： 20-28 （in Chinese）.
2	HUANG P F， WANG D K， MENG Z J， et al. Adaptive postcapture backstepping control for tumbling tethered space robot–target combination［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2016， 39（1）： 150-156.
3	HUANG P F， LU Y B， WANG M， et al. Postcapture attitude takeover control of a partially failed spacecraft with parametric uncertainties［J］. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering， 2019， 16（2）： 919-930.
4	马广富，高寒，吕跃勇，等. 组合体航天器有限时间超螺旋反步姿态控制［J］. 宇航学报， 2017， 38（11）： 1168-1176.
	MA G F， GAO H， LV Y Y， et al. Super-twisting observer based finite-time backstepping attitude control for a combined spacecraft［J］. Journal of Astronautics， 2017， 38（11）： 1168-1176 （in Chinese）.
5	吴佳奇，康国华，华寅淼，等. 组合体航天器智能协同姿态控制研究［J］. 中国空间科学技术， 2020， 40（4）： 44-53.
	WU J Q， KANG G H， HUA Y M， et al. Research on intelligent cooperative attitude control of assembled spacecraft［J］. Chinese Space Science and Technology， 2020， 40（4）： 44-53 （in Chinese）.
6	刘闯，岳晓奎. 空间非合作航天器抓捕后姿态抗干扰控制［J］. 航空学报， 2021， 42（11）： 524849.
	LIU C， YUE X K. Anti-disturbance attitude control for post-capture non-cooperative spacecraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（11）： 524849 （in Chinese）.
7	CHEN W H， BALLANCE D J， GAWTHROP P J， et al. A nonlinear disturbance observer for robotic manipulators［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2000， 47（4）： 932-938.
8	CHEN W H. Disturbance observer based control for nonlinear systems［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2004， 9（4）： 706-710.
9	CHEN M S， CHEN C C. Robust nonlinear observer for lipschitz nonlinear systems subject to disturbances［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2007， 52（12）： 2365-2369.
10	LIU M， ZHANG L X， SHI P， et al. Robust control of stochastic systems against bounded disturbances with application to flight control［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014， 61（3）： 1504-1515.
11	DING Z T. Consensus disturbance rejection with disturbance observers［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2015， 62（9）： 5829-5837.
12	AGHABABA M P. Sliding-mode control composite with disturbance observer for tracking control of mismatched uncertain nDoF nonlinear systems［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2018， 23（1）： 482-490.
13	ZHENG M H， LYU X M， LIANG X， et al. A generalized design method for learning-based disturbance observer［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2021， 26（1）： 45-54.
14	DUAN G R. High-order fully actuated system approaches： part II. generalized strict-feedback systems［J］. International Journal of Systems Science， 2021， 52（3）： 437-454.
15	段广仁. 高阶系统方法： Ⅱ.能控性与全驱性［J］. 自动化学报， 2020， 46（8）： 1571-1581.
	DUAN G R. High-order system approaches： Ⅱ. controllability and full-actuation［J］. Acta Automatica Sinica， 2020， 46（8）： 1571-1581 （in Chinese）.
16	DUAN G R. High-order fully actuated system approaches： part III. robust control and high-order backstepping［J］. International Journal of Systems Science， 2021， 52（5）： 952-971.
17	DUAN G R. High-order fully actuated system approaches： part IV. adaptive control and high-order backstepping［J］. International Journal of Systems Science， 2021， 52（5）： 972-989.
18	DUAN G R. High-order fully actuated system approaches： part V. robust adaptive control［J］. International Journal of Systems Science， 2021， 52（10）： 2129-2143.
19	ZHANG D W， LIU G P， CAO L. Proportional integral predictive control of high-order fully actuated networked multiagent systems with communication delays［J］. IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics： Systems， 2023， 53（2）： 801-812.
20	DUAN G R. High-order fully-actuated system approaches： part VI. disturbance attenuation and decoupling［J］. International Journal of Systems Science， 2021， 52（10）： 2161-2181.
21	DUAN G R. High-order fully actuated system approaches： part X.basics of discrete-time systems［J］. International Journal of Systems Science， 2022， 53（4）： 810-832.
22	DUAN G R. Generalized sylvester equations： unified parametric solutions［M］. Calabasas ：CRC Press， 2015.
23	DUAN G R. Simple algorithm for robust pole assignment in linear output feedback［J］. IEE Proceedings- Control Theory and Applications， 1992， 139（5）： 465-469.
24	段广仁. 飞行器控制的伪线性系统方法—第二部分：方法与展望［J］. 宇航学报， 2020， 41（7）： 839-849.
	DUAN G R. Quasi-linear system approaches for flight vehicle control—part 2： methods and prospects［J］. Journal of Astronautics， 2020， 41（7）： 839-849 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

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]	段广全, 刘国平. 基于全驱系统方法的组合航天器位姿自适应预设性能控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628837-628837.
[2]	王忠森, 廖宇新, 魏才盛, 戴婷. 高超声速飞行器快速终端滑模保性能容错控制[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 328476-328476.
[3]	付一方, 胡欣悦, 黄与陆, 王斑, 黄江涛. 基于双目视觉的无人机自主空中对接系统设计[J]. 航空学报, 2023, 44(20): 628884-628884.
[4]	宋梦实, 张帆, 黄攀峰. 位置约束下软式自主空中加油的抗干扰控制[J]. 航空学报, 2023, 44(20): 629114-629114.
[5]	陈浩岚, 王鹏, 汤国建. 变形飞行器输出误差受限与输入饱和控制方法[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528762-528762.
[6]	胡伟, 万文章, 陈谋. 基于神经网络和干扰观测器的UAV自动着舰控制[J]. 航空学报, 2022, 43(S1): 726963-726963.
[7]	郭洪振, 陈谋. 基于预设性能的四旋翼无人机编队安全控制[J]. 航空学报, 2021, 42(8): 525789-525789.
[8]	路遥. 基于跟踪微分器的高超声速飞行器Backstepping控制[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524737-524737.
[9]	刘闯, 岳晓奎. 空间非合作航天器抓捕后姿态抗干扰控制[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524849-524849.
[10]	刘璟龙, 张崇峰, 邹怀武, 李宁, 吴琳娜. 基于干扰观测器的柔性空间机器人在轨精细操作控制方法[J]. 航空学报, 2021, 42(1): 523899-523899.
[11]	邵书义, 陈谋, 招启军. 基于干扰观测器的四旋翼无人机离散时间容错控制[J]. 航空学报, 2020, 41(S2): 724283-724283.
[12]	李亚苹, 王芳, 周超. 全状态受限的高超声速飞行器的预定性能滤波反步控制[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 623857-623857.
[13]	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.
[14]	张秀云, 宗群, 窦立谦, 刘文静. 柔性航天器振动主动抑制及姿态控制[J]. 航空学报, 2019, 40(4): 322503-322503.
[15]	张宽桥, 杨锁昌, 李宝晨, 刘畅. 考虑驾驶仪动态特性的固定时间收敛制导律[J]. 航空学报, 2019, 40(11): 323227-323227.

基于干扰观测器的一类组合航天器高阶全驱抗干扰控制

High⁃order fully actuated anti⁃disturbance control for a type of combined spacecraft based on disturbance observer

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 21

参考文献 24

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价