[发明专利]一种未知频率谐波干扰下的火星着陆器抗干扰控制器

摘要

本发明涉及一种未知频率谐波干扰下的火星着陆器抗干扰控制器；首先，搭建火星着陆器的姿态运动学与动力学模型；其次，针对着陆器引擎，与大气剧烈摩擦带来的结构性不确定性谐波影响，设计未知频率谐波干扰观测器对干扰影响进行估计，进而通过前馈通道进行补偿；再次，利用滑模控制器实现对姿态指令的跟踪；最后，未知频率谐波干扰观测器和滑模控制器进行复合，构造抗干扰控制器。本发明具有强抗干扰性的特点，相对于传统的火星着陆器控制器适应性及抗干扰能力更强。

主权项

一种未知频率谐波干扰下的火星着陆器抗干扰控制器，其特征在于：包括以下步骤：首先，搭建火星着陆器的姿态运动学与动力学模型；其次，针对着陆器引擎与大气剧烈摩擦带来的结构性不确定性谐波影响，设计未知频率谐波干扰观测器对干扰影响进行估计，进而通过前馈通道进行补偿；再次，利用滑模控制器实现对姿态指令的跟踪；最后，将未知频率谐波干扰观测器和滑模控制器进行复合，构造抗干扰控制器；具体步骤如下：第一步，搭建火星着陆器的姿态运动学与动力学模型搭建含有未知频率谐波干扰情况下的火星着陆器姿态运动学与动力学模型如下：Jω·=-ω×Jω+u+d]]>σ·=Gω]]>G=12(1-σTσ2I3+σσT+σ×)]]>其中，J=JxxJxyJxzJyxJyyJyzJzxJzyJzz,[ω×]=0-ωzωyωz0-ωx-ωyωx0,[σ×]=0-σxσyσz0-σx-σyσx0,I3=100010001]]>J是着陆器的转动惯量矩阵，Jxx、Jyy、Jzz是着陆器三轴转动惯量值，Jxy、Jxz、Jyx、Jyz、Jzx、Jzy是三轴转动惯量耦合值，ω＝[ωx,ωy,ωz]T是三轴角速度，σ＝[σx,σy,σz]T是三轴罗德里格参数，u＝[ux,uy,uz]T代表三轴控制力矩输入，d＝[dx,dy,dz]T代表三轴未知频率干扰，干扰具有形式，其中Φi，ωi，是未知参数，i＝x,y,z；根据已建立的姿态运动学与动力学模型，可以得到：M*σ··e+C*σ·e+N*=u*+d*]]>其中定义σe＝σd‑σ，σd是期望的罗德里格参数，u*＝(G‑1)Tu，d*＝(G‑1)Td，M*＝(G‑1)TJG‑1，ωd是期望的角速度指令，其中G‑1为G的逆矩阵；干扰可以由如下外系统表示：w·=Γwd=Vw]]>其中，w为2×1矩阵，Γ为2×2矩阵，Γ的特征值在虚轴上并且为未知的常值矩阵，V为1×2矩阵，V为已知的常值矩阵；第二步，构造未知频率谐波干扰观测器首先考虑一般情况，系统对于任意p×pHurwitz矩阵P0，存在一个常向量θ0为p×1矩阵，使得干扰信号d0可以表达为如下形式：d0＝θ0Tξ0+θ0Tδ0其中ξ0为p×1矩阵，同时动态系统满足：ξ·0=P0ξ0+b0d0]]>(P0,b0)是可控的；指数衰减的向量按照如下的形式衰减：δ·0=P0δ0]]>满足δ0(0)＝M0ω0(0)‑ξ0(0)。其中M0满足Sylvester矩阵方程：M0Γ0‑P0M0＝b0V0根据系统状态，假设向量ξ，ψ和ν满足如下形式：ξ＝ν+ψψ=LM*σ·]]>ν·=P(ν+ψ)-L∂M*∂tσ·+LC*σ·+N*-Lu*]]>(Pi,Li)是可控的，P，L，ξ满足：P=P1000P2000P3,L=L1000L2000L3,ξ=ξ1ξ2ξ3,ξi=ξi1ξi2]]>其中Pi(i＝1,2,3)是Hurwitz的2×2的矩阵，Li(i＝1,2,3)是待定的增益为2×1的矩阵；我们可以得到：d＝Ξθ+Θδ其中：Ξ=ξ1T000ξ2T000ξ3T,Θ=θ1000θ2000θ3,θ=θ1Tθ2Tθ3T,θi=θi1θi2]]>θi(i＝1,2,3)是常未知向量，同时δ遵循如下方程：δ·=Pδ]]>如果将P0和b0选择为如下形式：P0=01-p01-p02,b0=01]]>这里p01和p02是常值并够保证P0是Hurwitz的，进而得到未知频率谐波干扰可以表示为：d=Ξ1θ‾1+Ξ2p‾2+Θδ]]>这里：Ξ1=ξ11000ξ21000ξ31,Ξ2=ξ12000ξ22000ξ32,p‾2=p12p22p32,θ‾1=θ11θ21θ31]]>由上可以得到：ξ‾·2=-Ξ1p‾1+Ξ1θ‾1+Θδ]]>其中设计未知频率谐波干扰观测器如下：r=γ1Ξ1ξ‾2]]>z=θ‾^1-r]]>z·=-γ1Ξ12θ‾^1+γ1Ξ12p‾1-γ1Ξ2ξ‾2]]>其中γ1>0是一个待定参数，由此可得干扰估计值所述的未知频率谐波干扰下的火星着陆器抗干扰控制器采用了未知频率谐波干扰观测器与滑模控制器相结合的方法，控制器包括前馈补偿和反馈跟踪两个部分：前馈补偿部分由未知频率谐波干扰观测器组成，用于补偿控制系统中存在的未知频率谐波干扰；反馈部分的关键是求取滑模控制器的控制参数；第三步，设计滑模控制器为完成火星着陆器的姿态控制指令，在干扰不存在的情况下，设计滑模控制器：usli＝‑GT(σe)kssgn(s)‑GT(σe)gss=σ·e+kσe]]>G(σe)=12(1-σeTσe2I3+σeσeT+σe×)]]>其中usli为滑模控制器的控制量，ks为常值权重，g为火星表面重力加速度，s为滑模控制器的滑模面，σe为姿态罗德里格参数误差，k为常值比例系数，ks和g是正定对角矩阵；第四步，基于未知频率谐波干扰观测器和滑模控制器构造抗干扰控制器设计抗干扰控制器，对火星着陆器姿态运动学和动力学模型中频率未知谐波干扰d估计并抵消，复合制导律如下：ucom=usli-d^]]>其中为第二步中的干扰估计值，usli为三步中的滑模控制器的控制量，ucom为复合制导律。