一類非線性系統魯棒控制方法研究 梁春輝 9787566137777 【台灣高等教育出版社】

內容簡介
小天體距離地球較遠，具有尺寸小、引力較弱以及自旋等特點，探測器在繞飛、接近和著陸小天體過程中還會受到太陽光壓、第三體引力等空間多種攝動力影響。本書針對探測器在小天體附近運動過程中遇到的系統不確定性和外界干擾以及對探測器下降著陸過程安全性準確性的要求，研究了探測器動力下降段和最終著陸段的軌道控制方法，建立了具有魯棒性和和自適應性的控制方法，保證探測器成功繞飛、下降和軟著陸。研究了探測器動力下降過程的姿態控制問題。研究了探測器軟著陸過程中的姿軌耦合控制問題。並將所提出的魯棒控制方法推廣到一類典型非線性系統的建模和穩定控制中。

作者簡介
梁春輝，女，1977年1月14日出生，遼寧阜新人，控制理論與控制工程專業，博士研究生學歷，現就職于長春工程學院，副教授。從事非線性系統控制演算法研究、電力電子變換與控制、新能源發電等領域的教學與科學研究工作。主持並參与「非線性系統智能魯棒控制演算法」等省部級以上科研項目10餘項；發表科研教研論文20餘篇，其中被SCI、EI核心期刊檢索論文13篇。

目錄
第1章 緒論
1 1 課題研究背景及意義
1 2 小天體探測綜述
1 3 小天體附近探測器運動及控制的關鍵問題
1 4 主要研究內容及章節安排
第2章 小天體附近動力學建模
2 1 引言
2 2 基本坐標系
2 3 小天體不規則弱引力描述方法
2 4 小天體附近探測器運動模型
2 5 本章小結
第3章 考慮不確定性和擾動的探測器下降著陸軌道控制
3 1 引言
3 2 基於自適應Terminal滑模的探測器下降制導與魯棒控制
3 3 基於動態面的探測器精確軟著陸制導軌跡魯棒跟蹤控制
3 4 本章小結
第4章 探測器運動姿態自適應魯棒控制
4 1 引言
4 2 探測器繞飛姿態穩定性分析
4 3 探測器繞飛不規則小天體姿態穩定跟蹤控制
4 4 探測器下降姿態自適應魯棒跟蹤控制
4 5 本章小結
第5章 考慮執行機構配置的探測器軟著陸小天體魯棒姿軌耦合控制
5 1 引言
5 2 基於反演自適應模糊的探測器姿軌耦合六自由度同步控制
5 3 欠驅動探測器軟著陸魯棒姿軌耦合控制
5 4 本章小結
第6章 基於反饋線性化的直流微電網母線電壓滑模控制
6 1 引言
6 2 直流微電網的結構與模型描述
6 3 基於反饋線性化的直流微電網母線電壓滑模控制
6 4 模擬分析
6 5 本章小結
第7章 總結
參考文獻

前言/序言
小天體是指太陽系中除了行星和衛星之外的數不清的小行星和彗星，它們大部分直徑在100km以下。小天體的形成是與太陽系同步進行的，較好地保留了太陽系形成初期的物質。受空間太陽光壓和大行星引力等影響，當運行軌道發生改變，小天體可能會接近地球甚至發生撞擊，因此開展對小天體的探測和深入研究具有重要的理論意義和實際應用價值。
小天體距離地球較遠，具有尺寸小、引力較弱及自旋等特點，探測器在繞飛、接近和著陸小天體過程中還會受到太陽光壓、第三體引力等空間多種攝動力影響。所以探測器在小天體附近的動力學模型呈現顯著非線性，不確定性和擾動加深了其動力學環境的複雜性。因此，具有典型非線性特性的小天體附近探測器運動的自主制導與控制技術是整個探測技術的關鍵。相比于月球等較大天體，小天體附近探測器運動的制導與控制具有一定的難度，研究成果還較少，目前有很多待解決的問題。比如小天體附近探測器所受到的不規則弱引力的處理和描述問題，探測器在小天體附近運動的軌道控制、姿態調整和姿軌耦合控制問題。探測器在小天體附近受到的系統不確定性和空間擾動增加了系統動力學分析及控制的複雜性，具有魯棒性和自適應性的控制方法是保證探測器成功繞飛、下降和軟著陸的關鍵技術。從國內外的研究現狀來看，對於小天體附近探測器運動系統，很多學者從航天領域出發研究導航、軌道機動和設計、基於相對運動模型的軌道控制設計。然而探究探測器在小天體附近繞飛及下降著陸過程中的姿態和軌道耦合控制也是必要的，控制器設計過程中的自主性、魯棒性和自適應性也是研究的重點問題。
本書針對存在模型不確定性和外界干擾時小天體附近探測器運動的軌道和姿態控制問題，進行了深入、系統的探討和研究，全書的主要內容及研究工作如下：
1 闡述了研究背景和研究意義，對小天體探測及小天體附近探測器運動的國內外研究現狀及研究的關鍵問題進行了綜述。
2 利用牛頓運動定律和相對微分原理，推導出小天體固連坐標系下探測器下降過程軌道動力學模型；在此基礎上，基於坐標變換思想推導出著陸點坐標系下探測器著陸過程軌道動力學模型：根據剛體複合運動關係和歐拉一牛頓法詳細推導了探測器在自旋小天體附近運動的姿態運動學和動力學模型；最後根據執行機構的安裝方式不同，得到了探測器在最終著陸段的兩種姿軌耦合動力學模型表述方法。
3 針對探測器在小天體附近運動過程中遇到的系統不確定性和外界干擾及對探測器下降著陸過程安全性、準確性的要求，研究了探測器動力下降段和最終著陸段的軌道控制方法。首先，參考Apollo登月任務設計燃料次最優多項式制導軌跡。其次，基於一類軌跡跟蹤控制思想，針對探測器在小天體附近下降過程中遇到的不確定性和擾動，利用李雅普諾夫函數提出了帶有補償項的終端滑模控制器，採用自適應律估計系統不確定性和外界擾動上界的未知參數，使探測器在有限時間內跟蹤期望制導軌跡到達天體表面某一高度，並具有全局魯棒性。最後，考慮到探測器在小天體附近最終著陸時遇到的外界干擾並保證著陸過程的安全性，基於動態平面控制思想，結合傳統的反演技術，設計魯棒跟蹤控制策略，使得探測器的位置和速度達到期望軌跡，安全降落到著陸點附近，並使控制演算法簡單快速。
4 探測器繞飛過程中要對目標天體進行形狀和參數的觀測，但是小天體不規則引力、天體自旋、空間不確定性和擾動的影響可能會破壞探測器的繞飛過程從而導致探測任務失敗，針對以上問題研究了探測器繞飛自旋小天體的姿態控制問題。首先，以簡化的探測器姿態動力學模型為對象，分析了探測器在小天體附近繞飛過程中的三維姿態運動與轉動慣量和軌道半徑等參數的關係，應用赫爾維茨穩定判據得到探測器繞飛的穩定條件。其次，考慮天體自旋、空間不確定性和干擾力矩，設計了魯棒反演滑模姿態跟蹤控制律，採用自適應更新律估計未知擾動的上界，使探測器三軸姿態歐拉角達到期望值，實現穩定繞飛。
5 針對傳統滑模控制存在的抖振和探測器動力下降段對姿態調整的要求，研究了探測器動力下降過程的姿態控制問題。首先，給出動態滑模的定義和任意階動態滑模的設計步驟及思想。其次，設計雙環滑模控制器，其中外環迴路採用二階動態滑模，而內環迴路採用一階動態滑模，利用控制器的積分項消除了抖振：並採用自適應律在線估計複合干擾的上界，有效抑制其影響，實現姿態角的穩定跟蹤。最後，針對探測器可能受到的較強干擾影響，設計雙環滑模控制器，採用非線性干擾觀測器在線觀測內環迴路受到的外界擾動，對於干擾觀測器的估計誤差，採用自適應律在線獲得上界並設計補償項，保證系統的魯棒性。
6 為了保證探測器準確、安全地最終到達小天體表面附近，探測器運動的位置和姿態需要快速地同時滿足高精度的控制要求，針對以上問題研究了探測器軟著陸過程中的姿軌耦合控制問題。首先，考慮執行機構配置方案能夠保證有足夠的控制維數提供相對位姿變化所需要的控制，提出一種基於反演的六自由度魯棒自適應模糊控制策略，採用模糊系統逼近系統不確定性和擾動引起的部分模型，並採用自適應律在線更新模糊系統的最優逼近參數，使探測器位置和姿態同時跟蹤期望的軌跡，並保證系統的魯棒性。其次，為實現快速的軌道機動，往往在探測器本體上僅配置一台大推力軌道發動機。針對這種執行機構配置方案所引起的控制器設計中存在的非線性問題，結合反演思想和三角函數變換方法，並考慮系統受到外界擾動影響，提出了魯棒姿軌耦合控制律，保證探測器在最終著陸時相對著陸點的位姿為期望值。並證明了所提出的閉環系統的李雅普諾夫穩定性。
7 將所提出的魯棒控制演算法推廣到一類典型非線性系統穩定控制技術中。基於反饋線性化理論，研究了一種用於雙向DC/DC變換器直流母線電壓控制系統的滑模控制器，用於快速跟蹤直流微電網中的功率干擾，對系統參數變化和外部干擾具有良好的魯棒性。
最後，總結本書的內容，並結合筆者在小天體自主制導和控制、魯棒控制和自適應控制等方面的研究心得，做出了對未來的研究展望和下一步的工作計劃。
本書由梁春輝副教授撰寫。本書在撰寫過程中，得到了部分研究生的支持和協助，他們校對了全書並繪製了部分插圖。
對於書中存在的疏漏和不足之處，懇請廣大讀者不吝指正。