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。
1.一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：其中，
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：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
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；
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：(P0,b0)是可控的；
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+ψ
(Pi,Li)是可控的，P，L，ξ满足：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；
θi(i＝1,2,3)是常未知向量，同时δ遵循如下方程：如果将P0和b0选择为如下形式：
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：这里：
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；
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)gs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：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。
一种未知频率谐波干扰下的火星着陆器抗干扰控制器
技术领域
[0001] 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，针对控制系统存在的未知频率谐波干扰，采用抗干扰控制的思路，与传统的控制器相比提高了控制系统的适应性及抗干扰性，增强了工程应用价值。
背景技术
[0002] 近年来，随着航天技术的快速发展，人类对太空的探索也越来越频繁。在太阳系的行星中，火星是人类已经探查的与地球最相近的星球。为了探寻水和生命的存在，人类对火星进行了多次的勘测。着陆器搭载了火星车等重要载荷，为了能够将有效载荷精确、安全地运抵火星表面，需要能够在复杂的火星环境下克服各类干扰对着陆器造成的影响。从着陆器接触到火星大气开始到下降着陆的过程中，火星大气会与着陆器进行剧烈的摩擦，内部结构也会因引擎等产生强烈的振动。这些干扰会以谐波的形式进入到系统中，并且频率难以确定，导致控制系统进行指令跟踪的时候受到极大影响。这就需要控制系统对未知频率的谐波干扰有一定的抵抗能力，抑制乃至抵消此类干扰对控制系统精度的影响。现阶段应用在火星着陆器上的抗干扰控制方法能够有效地消除系统中干扰的影响，但绝大多数还需要依赖于干扰的频率信息，设计新的结构对干扰进行估计并反馈到控制系统中以抵消干扰的影响，对于未知频率谐波信号的情况适应性相对较差，无法利用原有的思路对干扰进行准确估计并消除。另一类不需要干扰频率信息的抗干扰方法则是将干扰视为范数有界变量进行抑制，此类方法相对比较保守，会损耗大量不必要的能量。为了解决这个问题，亟需设计一种未知频率谐波干扰下的火星着陆器抗干扰控制器。
发明内容
[0003] 本发明的技术解决问题是：针对未知频率谐波干扰下的火星着陆器控制系统，克服现有技术的不足，提供一种具有抵抗未知频率谐波干扰能力的控制方法，解决未知频率谐波干扰影响系统的控制问题，提高系统的抗干扰以及适应能力。
[0004] 本发明的技术解决方案为：一种未知频率谐波干扰下的火星着陆器抗干扰控制器，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，针对着陆器引擎等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：
[0005] 第一步，搭建火星着陆器的姿态运动学与动力学模型
[0006] 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：
[0007]
[0008]
[0009]
[0010] 其中，
[0011]
[0012] 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；
[0013] 根据已建立的姿态运动学与动力学模型，可以得到：
[0014]
[0015] 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)T J G - 1 ， ω d 是 期 望 的 角 速 度 指 令 ，其 中
G-1为G的逆矩阵；
[0016] 干扰可以由如下外系统表示：
[0017]
[0018] 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；
[0019] 第二步，构造未知频率谐波干扰观测器
[0020] 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：
[0021] d0＝θ0Tξ0+θ0Tδ0
[0022] 其中ξ0为p×1矩阵，同时动态系统满足：
[0023]
[0024] (P0,b0)是可控的；b0是待定变量；
[0025] 指数衰减的向量按照如下的形式衰减：
[0026]
[0027] 满足δ0(0)＝M0ω0(0)-ξ0(0)。其中M0满足Sylvester矩阵方程：
[0028] M0Γ0-P0M0＝b0V0
[0029] 根据系统状态，假设向量ξ，ψ和ν满足如下形式：
[0030] ξ＝ν+ψ
[0031]
[0032]
[0033] (Pi,Li)是可控的，P，L，ξ满足：
[0034]
[0035] 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；
[0036] 我们可以得到：
[0037] d＝Ξθ+Θδ
[0038] 其中：
[0039]
[0040] θi(i＝1,2,3)是常未知向量，同时δ遵循如下方程：
[0041]
[0042] 如果将P0和b0选择为如下形式
[0043]
[0044] 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
[0045]
[0046] 这里：
[0047]
[0048] 由上可以得到：
[0049]
[0050] 其中
[0051] 设计未知频率谐波干扰观测器如下：
[0052]
[0053]
[0054]
[0055] 其中γ1＞0是一个待定参数，由此可得干扰估计值
[0056] 第三步，设计滑模控制器
[0057] 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：
[0058] usli＝-GT(σe)ks sgn(s)-GT(σe)gs
[0059]
[0060]
[0061] 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；
[0062] 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
[0063] 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：
[0064]
[0065] 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。
[0066] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0067] 本发明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；相对于现有的控制方法，本发明设计的抗干扰控制器在抗干扰性能以及适应性方面有极大的改善；
附图说明
[0068] 图1为本发明一种未知频率谐波干扰下的火星着陆器抗干扰控制器流程图。
具体实施方式
[0069] 如图1所示，本发明具体实现步骤如下(以下以火星着陆器控制系统为例来说明方法的具体实现)：
[0070] 1、搭建火星着陆器的姿态运动学与动力学模型
[0071] 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：
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] 其中，
[0076]
[0077] J是着陆器的转动惯量矩阵取为J12＝J13＝J12＝J23＝J13＝J23＝0，J11＝963kg·m2，J22＝1170kg·m2，J33＝1382kg·m2，ω＝[ωx,ωy,ωz]T是三轴角速度ω0＝[0.1,0.1,0.1]Trad/s,ωd＝[0.01sin(πt/75),0.02sin(πt/75),-0.01sin(πt/75)]T，σ＝[σx,σy,σz]T是三轴罗德里格参数σ0＝[-1,-1,1]T，σd＝[0.1,0.15,0.2]T，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取为100N·m，ωi取值范围为1～5rad/s，是未知参数取为0。
[0078] 根据已建立的姿态运动学与动力学模型，可以得到：
[0079]
[0080] 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)T - 1J G ， ω d 是 期 望 的 角 速 度 指 令 ，
[0081] 干扰可以由如下外系统表示：
[0082]
[0083] 其中，w∈R2n，Γ∈R2n×2n的特征值在虚轴上形式为 V∈Rn×2n，形式为V＝[1 0]。
[0084] 2、构造未知频率谐波干扰观测器
[0085] 考虑系统 对于任意p×pHurwitz矩阵P0，存在一个常向量θ0∈Rp使得干扰信号d0可以表达为如下形式：
[0086] d0＝θ0Tξ0+θ0Tδ0
[0087] 其中ξ0为p×1矩阵，同时动态系统满足：
[0088]
[0089] (P0,b0)是可控的。b0是待定变量。
[0090] 指数衰减的向量按照如下的形式衰减：
[0091]
[0092] 满足δ0(0)＝M0ω0(0)-ξ0(0)。其中M0满足Sylvester矩阵方程：
[0093] M0Γ0-P0M0＝b0V0
[0094] 假设向量ξ，ψ和ν满足如下形式：
[0095] ξ＝ν+ψ
[0096]
[0097]
[0098] (Pi,Li)是可控的，P，L，ξ满足：
[0099]
[0100] 其中Pi∈R2×2(i＝1,2,3)是Hurwitz的，Li∈R2×1(i＝1,2,3)是待定的增益。
[0101] 我们可以得到：
[0102] d＝Ξθ+Θδ
[0103] 其中：
[0104]
[0105] θi(i＝1,2,3)是常未知向量，同时δ遵循如下方程：
[0106]
[0107] 如果将P0和b0选择为如下形式：
[0108]
[0109] 这里p01和p02能够保证P0是Hurwitz的，在这里取p01＝20，p02＝10进而得到未知频率谐波干扰可以表示为：
[0110]
[0111] 这里：
[0112]
[0113] 由上可以得到：
[0114]
[0115] 其中
[0116] 设计未知频率谐波干扰观测器如下：
[0117]
[0118]
[0119]
[0120] 其中γ1＞0是一个待定参数，在这里取γ1＝0.01。
[0121] 3、设计滑模控制器
[0122] 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：
[0123] usli＝-GT(σe)ks sgn(s)-GT(σe)gs
[0124]
[0125]
[0126] 其中k为常值，ks和g是正定对角矩阵，取k＝0.06，ks＝diag{100,100,100}，g＝diag{10,10,10}。
[0127] 4、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
[0128] 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：
[0129]
[0130] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
