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基于自适应多变量超扭转的 Lyapunov 重新设计 RLV 姿态控制

自适应多变量Super-Twisting-Based的 Lyapunov重新设计RLV姿态控制

  • Adaptive Multivariable Super-Twisting-Based Lyapunov Redesign for RLV Attitude Control
  • I. 引言
  • II. 问题陈述
    • A. 符号
    • B. 准备工作
    • C.问题表述
  • III. 基于自适应多变量超扭转的 Lyapunov 重新设计算法
    • A. Lyapunov 对 RLV 进行重新设计
    • B.基于自适应超扭转的Lyapunov重新设计
  • IV. 模拟与讨论
    • A. 模型与参数设置
    • B. 结果分析
  • V. 结论
  • 附录
  • REFERENCES

Adaptive Multivariable Super-Twisting-Based Lyapunov Redesign for RLV Attitude Control

摘要 ——本文针对可重复使用运载火箭 (RLV) 姿态控制系统,提出了一种基于自适应多变量超扭转的新型 Lyapunov 重设计 (AMSTLR) 算法,该算法受未知干扰和不确定控制系数的影响。该方法提出了一种结合 Lyapunov 重设计 (LR) 方法和自适应超扭转 (AST) 方法的连续自适应控制算法。所提出的方法可以实现 RLV 的有限时间姿态跟踪,而无需精确了解不确定性的上限。此外,利用 Lyapunov 技术对所提出的算法进行了严格的稳定性分析。最后,提供了仿真结果以证明所提出的控制方案的有效性。

索引术语 ——自适应多变量超扭转、李雅普诺夫重新设计(LR)、可重复使用运载火箭(RLV)姿态控制、不确定控制系数。

I. 引言

可重复使用运载火箭由于其复杂的特性和飞行环境而受到越来越多的关注,这对控制器设计提出了挑战。在可重复使用运载火箭 (RLV) 姿态控制系统中,实现快速稳定的控制至关重要,特别是在存在外部干扰和不确定控制系数的情况下,同时确保控制器的连续性也同样重要。近年来,已经开发出一些先进的姿态控制算法来提高 RLV 的姿态跟踪性能。滑模控制 (SMC) 方法在 RLV 姿态控制系统中得到了广泛的研究[1],[2],[3],[4],[5],具有固有的对不确定性的不敏感性和鲁棒性。然而,抖动问题的存在阻碍了 SMC 的实际应用[6],[7]。为了解决这个问题,高阶 SMC 方法,如超扭转算法 [8],[9],已经成功应用于 RLV 姿态系统。超扭转算法确保滑模变量及其一阶导数收敛到零,有效衰减抖动,并通过在积分器中引入包含不连续项的动态扩展来实现连续控制信号。然而,超扭转算法的实现依赖于对扰动导数上限的精确了解,这可能很难提前获得[10],[11]。这推动了自适应超扭转(AST)算法的发展,该算法无需精确了解不确定性即可实现有限时间收敛[12]。
此外,为了应对执行器故障带来的挑战,[13] 中的工作提出了一种自适应滑模控制器,目的是实现一致的协同跟踪。该控制器不仅能够处理未知的有界扰动,还能有效解决与未知控制系数相关的潜在问题。为了解决参数不确定性和执行器故障,[14] 引入了一种基于屏障 Lyapunov 函数和反步法的自适应控制方法,确保跟踪误差的有效收敛。
此外,近年来,智能控制也得到了很好的研究,特别是在通过智能技术解决不确定性方面。在 [15] 中,提出了一种创新的神经自适应控制方法,不仅在解决不确定性方面取得了进展,而且在实现跟踪误差收敛方面也表现出惊人的速度。
此外,在 [16] 中,提出了一种利用自适应反步神经控制器的方法,利用神经网络估计外部扰动的能力。

与 SMC 类似,李雅普诺夫重新设计 (LR) 方法在处理不确定性方面非常有效 [17],[18]。扰动系统的 LR 方法的基本概念是将控制信号分为两个部分:1) 标称控制和 2) 补偿控制 [19],[20]。在不确定因素上限未知的情况下,已采用自适应 LR 算法来自适应调整控制增益,以实现精确的扰动补偿 [21],[22]。在 [23] 中,提出了一种基于 LR 的积分反步法,通过鲁棒自适应控制来稳定扰动系统。此外,[24] 中开发了一种基于屏障函数的自适应 LR 方法,该方法产生控制信号以将系统轨迹引导到预定义域中,并有效处理不确定的控制系数。然而,经典 LR 方法的一个局限性是它在一阶滑动流形中表现出不连续控制,这可能导致不希望的控制抖动。为了解决这个问题,一些研究已经集中在这个主题上。例如,在 [25] 中,开发了一种连续 LR 方法来合成时滞系统的最优预测控制器。此外,基于超扭曲方法 [26] 开发了一种不确定线性延迟系统的连续 LR 方法,具有渐近收敛特性。尽管已经提出了一些控制方法,但实现具有未知外部扰动和不确定控制系数的 RLV 的连续有限时间姿态跟踪控制仍然具有挑战性。现有方法通常侧重于在不考虑不确定控制系数的情况下实现连续控制,或者旨在实现具有不连续控制信号的未知扰动和不确定控制系数下的鲁棒控制。

动机和贡献: 受观察结果的启发,我们的目标是为 RLV 姿态系统提出一种新型连续控制器,该系统受到未知的外部干扰和不确定的控制系数的影响。为此,提出了一种结合 LR 方法和 AST 方法的连续自适应控制算法,利用 LR 处理干扰的能力和 AST 提供连续控制信号的优势。我们工作的主要贡献可以总结如下。

  1. 针对RLV姿态控制系统,提出了一种新颖的有限时间连续控制算法,该算法保证了在存在未知干扰和不确定控制系数的情况下,仍能在有限的时间内实现姿态跟踪。
  2. 利用Lyapunov技术给出了算法的收敛性准则和严格的稳定性证明。

与现有方法(如 [27] 中的自适应控制器)相比,我们的算法具有提供连续控制矩的优势。此外,与具有连续输出的控制器 [28] 相比,我们成功解决了由潜在执行器故障引起的不确定控制系数的影响。最后,我们进行了模拟以验证算法的有效性,比较结果证实了我们优于经典 LR 方法。

本文的其余部分安排如下:第二部分介绍问题的表述,清晰地阐述研究目标。第三部分设计了自适应多变量超扭转 LR(AMSTLR)算法,以实现具有不确定控制系数和未知干扰的 RLV 的有限时间控制。第四部分介绍了数值模拟,作为验证并证明了所提算法的有效性。最后,在第五部分,本文总结了主要发现和贡献。

II. 问题陈述

A. 符号

在本文中,采用以下符号。欧几里得范数和无穷范数分别由 ∥ x ∥ = x T x \|x\| = \sqrt{x^T x} x=xTx ∥ x ∥ ∞ = max ⁡ ( ∣ x 1 ∣ , … , ∣ x n ∣ ) \|x\|_\infty = \max(|x_1|, \ldots, |x_n|) x=max(x1,,xn)给出,其中 x = [ x 1 , … , x n ] T ∈ R n x = [x_1, \ldots, x_n]^T \in \mathbb{R}^n x=[x1,,xn]TRn。对于 p ∈ R p \in \mathbb{R} pR,我们有 [ 1 ∥ x ∥ p ] † = − p x T x ˙ ∥ x ∥ p + 2 \left[ \frac{1}{\|x\|_p} \right]^\dagger = -\frac{p x^T \dot{x}}{\|x\|_p + 2} [xp1]=xp+2pxTx˙ [ x ∥ x ∥ p ] † = [ 1 ∥ x ∥ p ] [ I m − p x x T ∥ x ∥ 2 ] x ˙ \left[ \frac{x}{\|x\|_p} \right]^\dagger = \left[ \frac{1}{\|x\|_p} \right] [I_m - \frac{p x x^T}{\|x\|^2}] \dot{x} [xpx]=[xp1][Imx2pxxT]x˙,其中 ∥ x ∥ p \|x\|_p xp ∥ x ∥ p \|x\|_p xp sign ( x ) = x ∥ x ∥ \text{sign}(x) = \frac{x}{\|x\|} sign(x)=xx。符号 ⊗ \otimes 表示克罗内克积。 λ min ( . ) \lambda_{\text{min}}(.) λmin(.) λ max ( . ) \lambda_{\text{max}}(.) λmax(.)分别表示 ( . ) (.) (.)的最小和最大特征值。

B. 准备工作

定义 1 [29]: 如果非线性动力系统 x ˙ = f ( x ) \dot{x} = f(x) x˙=f(x)是李雅普诺夫稳定的,则它全局有限时间稳定,并且对于任何 R > 0 R > 0 R>0,都存在 T > 0 T > 0 T>0,使得在区域 ∣ x ∣ < R |x| < R x<R内起始的任何轨迹在有限时间内在原点稳定下来 T T T

引理 1 [30]: 对于系统 x ˙ = f ( x ) \dot{x} = f(x) x˙=f(x),其初始条件为 x ( t 0 ) = x 0 x(t_0) = x_0 x(t0)=x0,如果存在一个连续可微的正定 Lyapunov 函数 V ( x ) V(x) V(x)满足 V ˙ ( x ) ≤ − α V ( x ) β \dot{V}(x) \leq -\alpha V(x)^\beta V˙(x)αV(x)β其中 α ∈ ( 0 , 1 ) \alpha \in (0, 1) α(0,1) β > 0 \beta > 0 β>0,则系统解将在有限时间内收敛到零 T ≤ 1 α ( 1 − β ) V ( x 0 ) 1 − β T \leq \frac{1}{\alpha(1 - \beta)} V(x_0)^{1 - \beta} Tα(1β)1V(x0)1β,其中 V ( x 0 ) V(x_0) V(x0)表示 Lyapunov 函数的初始值。

C.问题表述

考虑RLV的控制导向旋转模型,其中扰动未知,控制系数不确定[31]
Θ ˙ = R ω I ω ˙ = − Ω I ω + Δ B M + M (1) \dot{\Theta} = R \omega \\ I \dot{\omega} = -\Omega I \omega + \Delta_B M + M \tag{1} Θ˙=RωIω˙=ΩIω+ΔBM+M(1)
其中, Θ = [ α , β , σ ] T \Theta = [\alpha, \beta, \sigma]^T Θ=[α,β,σ]T为姿态角向量, ω = [ p , q , r ] T \omega = [p, q, r]^T ω=[p,q,r]T表示姿态角向量, M = [ M x , M y , M z ] T M = [M_x, M_y, M_z]^T M=[Mx,My,Mz]T表示控制力矩。 Δ B \Delta_B ΔB为不确定控制系数矩阵, Δ M \Delta_M ΔM表示外部扰动。系统矩阵 I I I R R R Ω \Omega Ω与 [31] 中的定义保持一致。

假设1: 控制系数 Δ B \Delta_B ΔB由不确定的正常数 g g g G G G界定,即 0 < g ≤ ∥ Δ B ∥ ≤ G 0 < g \leq \|\Delta_B\| \leq G 0<gΔBG。扰动 Δ M \Delta_M ΔM连续可微,满足 ∥ Δ M ∥ ≤ L \|\Delta_M\| \leq L ΔML ∥ Δ ˙ M ∥ ≤ M \|\dot{\Delta}_M\| \leq M Δ˙MM,其中 L L L M M M为未知常数。

这项工作的目标是开发一个控制器,提供连续的控制信号,以确保尽管存在不确定性 Δ B \Delta B ΔB Δ M \Delta M ΔM,但仍可以在有限的时间内跟踪参考命令 Θ ref \Theta_{\text{ref}} Θref

III. 基于自适应多变量超扭转的 Lyapunov 重新设计算法

A. Lyapunov 对 RLV 进行重新设计

将姿态跟踪误差定义为 e 1 = Θ − Θ ref e_1 = \Theta - \Theta_{\text{ref}} e1=ΘΘref e 2 = R ω − Θ ˙ ref e_2 = R \omega - \dot{\Theta}_{\text{ref}} e2=RωΘ˙ref,姿态误差动态可以用以下公式描述

e ˙ 1 = e 2 e ˙ 2 = F + R I − 1 B M + R I − 1 M (2) \dot{e}_1 = e_2 \\ \dot{e}_2 = F + R I^{-1} B M + R I^{-1} M \tag{2} e˙1=e2e˙2=F+RI1BM+RI1M(2)

其中 F = − R I − 1 Ω I ω − Θ ¨ ref + R ˙ ω F = -R I^{-1} \Omega I \omega - \ddot{\Theta}_{\text{ref}} + \dot{R} \omega F=RI1ΩIωΘ¨ref+R˙ω

LR 方法通过将补偿控制输入 v v v与标称控制输入 M 0 M_0 M0(即 M = M 0 + v M = M_0 + v M=M0+v)相结合来设计 (2) 中的控制器 M M M

标称系统是通过忽略系统 (2) 中的外部扰动(即设置 Δ M = 0 \Delta_M = 0 ΔM=0)并假设没有未知的控制衰减(即设置 Δ B = 1 \Delta_B = 1 ΔB=1)获得的。在这种情况下,系统 (2) 的标称部分可以表示为
e ˙ 1 = e 2 , e ˙ 2 = F + R I − 1 M 0 . (3) \dot{e}_1 = e_2, \quad \dot{e}_2 = F + R I^{-1} M_0. \tag{3} e˙1=e2,e˙2=F+RI1M0.(3)
按照[28,定理 1],标称控制输入 M 0 M_0 M0可以设计为
M 0 = I R − 1 ( θ − F − l 1 ∥ e 1 ∥ ρ 1 − l 2 ∥ e 2 ∥ ρ 2 ) (4) M_0 = I R^{-1} \left( \theta - F - l_1 \|e_1\|^{\rho_1} - l_2 \|e_2\|^{\rho_2} \right) \tag{4} M0=IR1(θFl1e1ρ1l2e2ρ2)(4)
满足以下条件:
l 1 , l 2 > 0 , ρ 1 = ρ 2 − ρ , ρ 2 = ρ , ρ ∈ ( 0 , 1 ) . (5) l_1, l_2 > 0, \quad \rho_1 = \frac{\rho}{2 - \rho}, \quad \rho_2 = \rho, \quad \rho \in (0, 1). \tag{5} l1,l2>0,ρ1=2ρρ,ρ2=ρ,ρ(0,1).(5)
此外,在LR方法中,需要设计补偿控制输入 v v v来处理不确定性。首先,提出了一个连续Lyapunov函数
V 0 = ∥ e 1 ∥ ρ 1 + 1 + ρ 1 + 1 2 l 1 ∥ e 2 ∥ 2 . (6) V_0 = \|e_1\|^{\rho_1 + 1} + \frac{\rho_1 + 1}{2 l_1} \|e_2\|^2. \tag{6} V0=e1ρ1+1+2l1ρ1+1e22.(6)
此外,沿误差动力学轨迹 (2) 对 V 0 V_0 V0进行微分可得
V ˙ 0 = ∂ V 0 ∂ e 1 e 2 + ∂ V 0 ∂ e 2 ( F + R I − 1 Δ B ( M 0 + v ) + R I − 1 Δ M ) = V ˙ nom + ∂ V 0 ∂ e 2 ( R I − 1 Δ B v + R I − 1 L Δ M ) (7) \dot{V}_0 = \frac{\partial V_0}{\partial e_1} e_2 + \frac{\partial V_0}{\partial e_2} \left(F + R I^{-1} \Delta_B (M_0 + v) + R I^{-1} \Delta_M \right) = \dot{V}_{\text{nom}} + \frac{\partial V_0}{\partial e_2} \left(R I^{-1} \Delta_B v + R I^{-1} L \Delta_M \right) \tag{7} V˙0=e1V0e2+e2V0(F+RI1ΔB(M0+v)+RI1ΔM)=V˙nom+e2V0(RI1ΔBv+RI1LΔM)(7)
其中 L M = Δ M + Δ B M 0 − M 0 L M = \Delta_M + \Delta_B M_0 - M_0 LM=ΔM+ΔBM0M0 V ˙ nom \dot{V}_{\text{nom}} V˙nom V 0 V_0 V0沿标称系统 (3) 的导数。令 w w w表示滑动变量,定义为 w = [ ∂ V 0 ∂ e 2 ] w = \left[\frac{\partial V_0}{\partial e_2}\right] w=[e2V0]。LR 方法通过设计补偿项 v v v来解决扰动项,从而实现 w w w向零的收敛。请注意,经典 LR 方法(如 [18] 所示)通过设计 v = − k 0 [ w ∥ w ∥ ] v = -k_0 \left[\frac{w}{\|w\|}\right] v=k0[ww]来确保滑动变量 w w w的收敛。然而,不连续的控制输入可能会导致抖动问题。

B.基于自适应超扭转的Lyapunov重新设计

接下来,基于 AST 开发一个连续控制输入 v v v,以确保滑动变量 w w w的收敛并衰减抖动。滑动变量 w w w的导数为

w ˙ = ∂ w ∂ e 2 ( F ˉ + R I − 1 Δ B v + R I − 1 L M ) (8) \dot{w} = \frac{\partial w}{\partial e_2} \left(\bar{F} + R I^{-1} \Delta_B v + R I^{-1} L M \right) \tag{8} w˙=e2w(Fˉ+RI1ΔBv+RI1LM)(8)

其中 F ˉ = F + R I − 1 M 0 \bar{F} = F + R I^{-1} M_0 Fˉ=F+RI1M0。设 v = I R − 1 u sta v = I R^{-1} u_{\text{sta}} v=IR1usta F ˉ = Δ B − 1 ( F ˉ + R I − 1 L M ) \bar{F} = \Delta_B^{-1} (\bar{F} + R I^{-1} L M) Fˉ=ΔB1(Fˉ+RI1LM) Δ ^ B = [ ∂ w ∂ e 2 ] Δ B \hat{\Delta}_B = \left[\frac{\partial w}{\partial e_2}\right] \Delta_B Δ^B=[e2w]ΔB。通过这些定义,(8) 可以简化为

w ˙ = Δ ^ B ( u sta + F ˉ ) . (9) \dot{w} = \hat{\Delta}_B (u_{\text{sta}} + \bar{F}). \tag{9} w˙=Δ^B(usta+Fˉ).(9)

系统 (9) 的收敛由 AST 控制输入 u sta u_{\text{sta}} usta解决,其公式为

u sta = − k 1 ∥ w ∥ 1 / 2 − k 2 ∫ 0 t sign ( w )   d t . u_{\text{sta}} = -k_1 \|w\|^{1/2} - k_2 \int_0^t \text{sign}(w) \, dt. usta=k1w1/2k20tsign(w)dt.

因此,控制器 v v v的补偿部分可以表示为

v = − I R − 1 ( k 1 ∥ w ∥ 1 / 2 + k 2 ∫ 0 t sign ( w )   d t ) (10) v = -I R^{-1} \left( k_1 \|w\|^{1/2} + k_2 \int_0^t \text{sign}(w) \, dt \right) \tag{10} v=IR1(k1w1/2+k20tsign(w)dt)(10)

其中 k 1 k_1 k1 k 2 k_2 k2是自适应增益,其动态特性由下式给出:

k ˙ 1 = { L 1 2 ∥ w ∥ if  ∥ w ∥ ≠ 0 0 if  ∥ w ∥ = 0 , k 2 = 2 τ k 1 , L 1 > 0 , τ > 0. (11) \dot{k}_1 = \begin{cases} L_1 \frac{2}{\|w\|} & \text{if } \|w\| \neq 0 \\ 0 & \text{if } \|w\| = 0 \end{cases} , \quad k_2 = 2\tau k_1, \quad L_1 > 0, \quad \tau > 0. \tag{11} k˙1={L1w20if w=0if w=0,k2=2τk1,L1>0,τ>0.(11)

**假设 2:**假设 (9) 中的不确定控制系数矩阵 Δ ^ B \hat{\Delta}_B Δ^B由不确定常数 g ˉ \bar{g} gˉ G ˉ \bar{G} Gˉ界定,其中 0 < g ˉ ≤ ∥ Δ ^ B ∥ ≤ G ˉ 0 < \bar{g} \leq \|\hat{\Delta}_B\| \leq \bar{G} 0<gˉΔ^BGˉ。此外,假设扰动 F F F满足 ∥ Δ ˙ F ∥ ≤ M ˉ \|\dot{\Delta}_F\| \leq \bar{M} Δ˙FMˉ,其中 M ˉ \bar{M} Mˉ存在但未知。

**注释 1:**本文中的假设是基于 RLV 姿态控制领域的实际考虑。考虑到与执行器行为相关的实际约束以及控制系统固有的有限采样时间(这意味着扰动导数信号的上限),可以合理地假设 Δ B \Delta_B ΔB有界、 Δ M \Delta_M ΔM有界且 Lipschitz 连续。此外,假设 2 可以看作是假设 1 的扩展,并且在考虑实际情况时仍然合理。

考虑误差动态(2),以及(4)中的标称控制输入和(10)中的补偿项,应用于RLV姿态系统的AMSTLR算法的反馈控制输入设计为 M = M 0 + v M = M_0 + v M=M0+v,可表示为

M = − I R − 1 ( F + l 1 ∥ e 1 ∥ ρ 1 + l 2 ∥ e 2 ∥ ρ 2 + k 1 ∥ w ∥ 1 / 2 + k 2 ∫ 0 t sign ( w )   d t ) (12) M = -I R^{-1} \left( F + l_1 \|e_1\|^{\rho_1} + l_2 \|e_2\|^{\rho_2} + \\ k_1 \|w\|^{1/2} + k_2 \int_0^t \text{sign}(w) \, dt \right) \tag{12} M=IR1(F+l1e1ρ1+l2e2ρ2+k1w1/2+k20tsign(w)dt)(12)

其中自适应增益 k 1 k_1 k1 k 2 k_2 k2根据 (11) 进行选择。为了阐明控制器设计,图 1 给出了所提设计方法的框图,而图 2 中的流程图显示了所述步骤。随后,以下定理提供了开发的 AMSTLR 算法的主要结果。

定理 1: 在假设 1 和 2 下考虑误差动态(2),如果反馈控制器设计为(12),控制参数选择条件为(5)和(11),则系统(2)中 e 1 e_1 e1 e 2 e_2 e2的轨迹将在有限的时间内收敛到原点。

证明: 证明分为两个步骤。首先,将证明滑动变量 w w w在有限时间 T 1 T_1 T1内收敛到零。随后,通过利用连续标称控制器项 M 0 M_0 M0,可以建立系统状态的有限时间稳定性。

步骤 1: 动态系统模型(9)与控制器(10)相结合描述为

w ˙ = Δ ^ B ( − k 1 ∥ w ∥ 1 / 2 + z ) z ˙ = − k 2 ∥ w ∥ 0 + Δ ˙ F . (13) \dot{w} = \hat{\Delta}_B \left(-k_1 \|w\|^{1/2} + z \right) \\ \dot{z} = -k_2 \|w\|^0 + \dot{\Delta}_F. \tag{13} w˙=Δ^B(k1w1/2+z)z˙=k2w0+Δ˙F.(13)

为了方便进行Lyapunov分析,引入如下向量:

ξ T = [ ξ 1 ξ 2 ] , ξ 1 = w 1 / 2 , ξ 2 = z . (14) \xi^T = \begin{bmatrix} \xi_1 & \xi_2 \end{bmatrix}, \quad \xi_1 = w^{1/2}, \quad \xi_2 = z. \tag{14} ξT=[ξ1ξ2],ξ1=w1/2,ξ2=z.(14)

ξ \xi ξ取导数,结果如下:
[ ξ ˙ 1 ξ ˙ 2 ] = − 1 ∥ ξ 1 ∥ [ k 1 2 I 3 Δ ^ B k 2 I 3 0 ] [ ξ 1 ξ 2 ] + [ 0 Δ ˙ F ] + [ − Δ ^ B ξ 1 ξ 1 T ξ 2 2 ∥ ξ 1 ∥ 3 0 3 ] . (15) \begin{bmatrix} \dot{\xi}_1 \\ \dot{\xi}_2 \end{bmatrix} = - \frac{1}{\|\xi_1\|} \begin{bmatrix}k_1 \frac{2}{I_3} & \hat{\Delta}_B \\ k_2 I_3 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \xi_1 \\ \xi_2 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} 0 \\ \dot{\Delta}_F \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} -\frac{ \hat{\Delta}_B \xi_1 \xi_1^T \xi_2 }{2\|\xi_1\|^3} \\ 0_3 \end{bmatrix}. \tag{15} [ξ˙1ξ˙2]=ξ11[k1I32k2I3Δ^B0][ξ1ξ2]+[0Δ˙F]+[2∥ξ13Δ^Bξ1ξ1Tξ203].(15)

考虑到

[ 0 F ˙ ] = − 1 ∥ ξ 1 ∥ [ 0 0 − Δ ˙ F T sign ( ξ 1 ) 0 ] ⊗ I 3 [ ξ 1 ξ 2 ] , (16) \begin{bmatrix} 0 \\ \dot{F} \end{bmatrix} = - \frac{1}{\|\xi_1\|} \begin{bmatrix} 0 & 0 \\ -\dot{\Delta}_F^T \text{sign}(\xi_1) & 0 \end{bmatrix} \otimes I_3 \begin{bmatrix} \xi_1 \\ \xi_2 \end{bmatrix}, \tag{16} [0F˙]=ξ11[0Δ˙FTsign(ξ1)00]I3[ξ1ξ2],(16)

方程(15)可以重写为

[ ξ ˙ 1 ξ ˙ 2 ] = − 1 ∥ ξ 1 ∥ [ k 1 2 I 3 − Δ ^ B ( k 2 − X ) I 3 0 ] [ ξ 1 ξ 2 ] + [ − Δ ^ B ξ 1 ξ 1 T ξ 2 2 ∥ ξ 1 ∥ 3 0 3 ] (17) \begin{bmatrix} \dot{\xi}_1 \\ \dot{\xi}_2 \end{bmatrix} = - \frac{1}{\|\xi_1\|} \begin{bmatrix} \frac{k_1}{2}\boldsymbol{I}_3 & -\hat{\Delta}_B \\ (k_2 - X)\boldsymbol{I}_3 & \boldsymbol{0} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \xi_1 \\ \xi_2 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} - \frac{ \hat{\Delta}_B \xi_1 \xi_1^T \xi_2 }{2\|\xi_1\|^3} \\ \boldsymbol{0}_3 \end{bmatrix} \tag{17} [ξ˙1ξ˙2]=ξ11[2k1I3(k2X)I3Δ^B0][ξ1ξ2]+[2∥ξ13Δ^Bξ1ξ1Tξ203](17)

其中 X = Δ ˙ F T sign ( ξ 1 ) X = \dot{\Delta}_F^T \text{sign}(\xi_1) X=Δ˙FTsign(ξ1)

此外,提出了以下 Lyapunov 候选函数:

V = V 0 + 1 2 ( k 1 − k 1 ∗ ) 2 + 1 2 ( k 2 − k 2 ∗ ) 2 , (18) V = V_0 + \frac{1}{2} \left( k_1 - k^*_1 \right)^2 + \frac{1}{2} \left( k_2 - k^*_2 \right)^2, \tag{18} V=V0+21(k1k1)2+21(k2k2)2,(18)

其中 k 1 ∗ , k 2 ∗ k^*_1, k^*_2 k1,k2为常数,矩阵 P P P定义为

P = [ p 1 − 1 − 1 p 2 ] ⊗ I 3 . (19) P = \begin{bmatrix}p_1 & -1 \\ -1 & p_2 \end{bmatrix} \otimes \boldsymbol{I}_3. \tag{19} P=[p111p2]I3.(19)

请注意,当 p 1 p 2 > 1 p_1 p_2 > 1 p1p2>1时, P P P为正定,而 V 0 V_0 V0的导数由下式给出

V ˙ 0 = − 1 ∥ ξ 1 ∥ ξ T Q ξ + V 1 , (20) \dot{V}_0 = - \frac{1}{\|\xi_1\|} \xi^T Q \xi + V_1, \tag{20} V˙0=ξ11ξTQξ+V1,(20)

式中,

Q = A 1 T P + P A 1 (21) Q = A^T_1 P + PA_1 \tag{21} Q=A1TP+PA1(21)

V 1 = 2 ξ T P A 2 . (22) V_1 = 2 \xi^T P A_2. \tag{22} V1=2ξTPA2.(22)

矩阵 Q Q Q的计算方法如下

Q = [ k 1 p 1 Δ ^ B − 2 ( k 2 − X ) I 3 − p 2 ( k 2 − X ) I 3 − p 1 Δ ^ B − p 2 ( k 2 − X ) I 3 − p 1 Δ ^ B 2 Δ ^ B ] (21) Q = \begin{bmatrix}k_1 p_1 \hat{\Delta}_B - 2 (k_2 - X) \boldsymbol{I}_3 & -p_2 (k_2 - X) \boldsymbol{I}_3 - p_1 \hat{\Delta}_B \\ -p_2 (k_2 - X) \boldsymbol{I}_3 - p_1 \hat{\Delta}_B & 2 \hat{\Delta}_B \end{bmatrix} \tag{21} Q=[k1p1Δ^B2(k2X)I3p2(k2X)I3p1Δ^Bp2(k2X)I3p1Δ^B2Δ^B](21)

V 1 = − Δ ^ B 1 ∥ ξ 1 ∥ [ ξ 1 T ξ 2 p 1 − ξ 2 T ξ 1 ξ 1 T ξ 2 1 ∥ ξ 1 ∥ 2 ] . (22) V_1 = - \hat{\Delta}_B \frac{1}{\|\xi_1\|} \begin{bmatrix} \xi_1^T \xi_2 p_1 - \xi^T_2 \xi_1 \xi^T_1 \xi_2 \\ \frac{1}{\|\xi_1\|^2} \end{bmatrix}. \tag{22} V1=Δ^Bξ11[ξ1Tξ2p1ξ2Tξ1ξ1Tξ2ξ121].(22)

考虑到

ξ 2 T ξ 1 ξ 1 T ξ 2 ∥ ξ 1 ∥ 2 ≤ ∥ ξ 1 ∥ 2 ∥ ξ 2 ∥ 2 ∥ ξ 1 ∥ 2 = ∥ ξ 2 ∥ 2 , \frac{\xi^T_2 \xi_1 \xi^T_1 \xi_2}{\|\xi_1\|^2} \leq \frac{\|\xi_1\|^2 \|\xi_2\|^2}{\|\xi_1\|^2} = \|\xi_2\|^2, ξ12ξ2Tξ1ξ1Tξ2ξ12ξ12ξ22=ξ22,

V 1 V_1 V1满足以下不等式:

V 1 ≤ − ∥ Δ ^ B ∥ 1 ∥ ξ 1 ∥ [ ξ 1 T ξ 2 p 1 − ∥ ξ 2 ∥ 2 ] ⊗ I 3 . (23) V_1 \leq - \left\| \hat{\Delta}_B \right\| \frac{1}{\|\xi_1\|} \begin{bmatrix} \xi^T_1 \xi_2 p_1 - \|\xi_2\|^2 \end{bmatrix} \otimes I_3. \tag{23} V1 Δ^B ξ11[ξ1Tξ2p1ξ22]I3.(23)

从 (20)、(21) 和 (23), V 0 V_0 V0的导数可以转换为

V ˙ 0 ≤ − ∥ Δ ^ B ∥ λ min ( Q ) ∥ ξ ∥ 2 . (24) \dot{V}_0 \leq - \left\| \hat{\Delta}_B \right\| \lambda_{\text{min}} \left(Q \right) \|\xi\|^2. \tag{24} V˙0 Δ^B λmin(Q)ξ2.(24)

其中矩阵 Q ^ \hat{Q} Q^计算如下

Q ^ = [ k 1 p 1 − 2 ( k 2 − X ) ∥ Δ ^ B − 1 ∥ p 2 ( k 2 − X ) ∥ Δ ^ B − 1 ∥ − 1 2 ( p 1 + k 1 ) p 2 ( k 2 − X ) ∥ Δ ^ B − 1 ∥ − 1 2 ( p 1 + k 1 ) 1 ] ⊗ I 3 . (25) \hat{Q} = \begin{bmatrix}k_1 p_1 - 2 (k_2 - X) \|\hat{\Delta}_B^{-1}\| & p_2 (k_2 - X) \|\hat{\Delta}_B^{-1}\|- \frac{1}{2} (p_1 + k_1) \\ p_2 (k_2 - X) \|\hat{\Delta}_B^{-1}\|- \frac{1}{2} (p_1 + k_1) & 1 \end{bmatrix} \otimes I_3. \tag{25} Q^=[k1p12(k2X)Δ^B1p2(k2X)Δ^B121(p1+k1)p2(k2X)Δ^B121(p1+k1)1]I3.(25)

如果矩阵 Q ^ \hat{Q} Q^是正定的,则 V 0 V_0 V0的时间导数将是负定的。为此, Q ^ \hat{Q} Q^的行列式表示为

det ⁡ ( Q ^ ) = a p 1 2 + b p 1 + c (26) \det(\hat{Q}) = a p_1^2 + b p_1 + c \tag{26} det(Q^)=ap12+bp1+c(26)

式中,

a = − 1 4 , b = 1 2 k 1 + p 2 k ~ 2 , c = − 2 k ~ 2 − 1 4 k 1 2 − p 2 2 k ~ 2 2 + k 1 p 1 k ~ 2 . (27) a = -\frac{1}{4}, \quad b = \frac{1}{2} k_1 + p_2 \tilde{k}_2, \quad c = -2 \tilde{k}_2 - \frac{1}{4} k^2_1 - p^2_2 \tilde{k}_2^2 + k_1 p_1 \tilde{k}_2. \tag{27} a=41,b=21k1+p2k~2,c=2k~241k12p22k~22+k1p1k~2.(27)

其中 k ~ 2 = ( k 2 − X ) ∥ Δ ^ B ∥ − 1 \tilde{k}_2 = (k_2 - X) \|\hat{\Delta}_B\|^{-1} k~2=(k2X)Δ^B1

注意系数 a = − 1 4 a = -\frac{1}{4} a=41为负数。为了确保 det ⁡ ( Q ^ ) \det(\hat{Q}) det(Q^)的正定性,二阶方程 det ⁡ ( Q ^ ) = 0 \det(\hat{Q}) = 0 det(Q^)=0的判别式应为正数,并且 p 1 p_1 p1应在 det ⁡ ( Q ^ ) = 0 \det(\hat{Q}) = 0 det(Q^)=0的两个实根定义的区间内选择。因此, p 1 p_1 p1满足

p 1 = b 2 − 4 a c a = k ~ 2 ( k 1 p 2 − 2 ) > 0. (28) p_1 = \frac{b^2 - 4 a c}{a} = \tilde{k}_2 (k_1 p_2 - 2) > 0. \tag{28} p1=ab24ac=k~2(k1p22)>0.(28)

k ~ 2 > 0 \tilde{k}_2 > 0 k~2>0 k 1 p 2 − 2 > 0 k_1 p_2 - 2 > 0 k1p22>0时,我们有 k 2 > M ˉ k_2 > \bar{M} k2>Mˉ p 2 > 2 k 1 p_2 > \frac{2}{k_1} p2>k12。因此, p 2 p_2 p2的一个可能选择是 p 2 = 2 + ϵ k 1 p_2 = \frac{2 + \epsilon}{k_1} p2=k12+ϵ,而 det ⁡ ( Q ^ ) \det(\hat{Q}) det(Q^)有两个实根

p 1 + = k 1 + 2 p 2 k ~ 2 + 2 p 1 , p 1 − = k 1 + 2 p 2 k ~ 2 − 2 p 1 , (29) p^+_1 = k_1 + 2 p_2 \tilde{k}_2 + 2 \sqrt{p_1}, \quad p^-_1 = k_1 + 2 p_2 \tilde{k}_2 - 2 \sqrt{p_1}, \tag{29} p1+=k1+2p2k~2+2p1 ,p1=k1+2p2k~22p1 ,(29)

其中 p 1 c = k 1 + 2 p 2 k ~ 2 p_{1c} = k_1 + 2 p_2 \tilde{k}_2 p1c=k1+2p2k~2

p 1 ∈ [ min , max ] p_1 \in [\text{min}, \text{max}] p1[min,max] p 1 c ∈ [ p 1 c min , p 1 c max ] p_{1c} \in [p_{1c \text{min}}, p_{1c \text{max}}] p1c[p1cmin,p1cmax]的边界由以下公式给出
p 1 ∈ [ k 2 min ( k 1 p 2 − 2 ) , k 2 max ( k 1 p 2 − 2 ) ] , (30) p_1 \in [k_2 \text{min} (k_1 p_2 - 2), k_2 \text{max} (k_1 p_2 - 2)], \tag{30} p1[k2min(k1p22),k2max(k1p22)],(30)
p 1 c ∈ [ k 1 + 2 p 2 k 2 min , k 1 + 2 p 2 k 2 max ] . (31) p_{1c} \in [k_1 + 2 p_2 k_2 \text{min}, k_1 + 2 p_2 k_2 \text{max}]. \tag{31} p1c[k1+2p2k2min,k1+2p2k2max].(31)
p 1 p_1 p1的值从最小值 ( p 1 min − , p 1 min + ) (p^-_{1 \text{min}}, p^+_{1 \text{min}}) (p1min,p1min+)移动到最大值 ( p 1 max − , p 1 max + ) (p^-_{1 \text{max}}, p^+_{1 \text{max}}) (p1max,p1max+)。因此, p 1 p_1 p1的有效选择应该在其最大值 p 1 max − p^-_{1 \text{max}} p1max的小端点与其最小值 p 1 min + p^+_{1 \text{min}} p1min+的最大端点的交集中,即 p 1 ∈ ( p 1 max − , p 1 min + ) p_1 \in (p^-_{1 \text{max}}, p^+_{1 \text{min}}) p1(p1max,p1min+)。结合 p 1 p_1 p1 p 1 c p_{1c} p1c的界限, p 1 p_1 p1的区间表示为

p 1 ∈ [ k 1 + 2 p 2 k 2 max − 2 , k 1 + 2 p 2 k 2 min + 2 ] . (32) p_1 \in \left[k_1 + 2 p_2 k_2 \text{max} - 2, k_1 + 2 p_2 k_2 \text{min} + 2\right]. \tag{32} p1[k1+2p2k2max2,k1+2p2k2min+2].(32)

为了保证交集有效,条件应该满足 p 1 min + > p 1 max − p^+_{1 \text{min}} > p^-_{1 \text{max}} p1min+>p1max。经过几次代数运算后,条件可以表示为

a k 2 2 min + b k 2 k 2 2 min + c k 2 > 0 , (33) a k^2_2 \text{min} + b k_2 \sqrt{k^2_2 \text{min}} + c k_2 > 0, \tag{33} ak22min+bk2k22min +ck2>0,(33)

式中,

a = − 2 G ˉ − g ˉ g ˉ p 2 , b = − 4 M ˉ g ˉ p 2 , c = 4 ϵ . (34) a = -2 \frac{\bar{G} - \bar{g}}{\bar{g}} p_2, \quad b = -4 \frac{\bar{M}}{\bar{g}} p_2, \quad c = 4 \sqrt{\epsilon}. \tag{34} a=2gˉGˉgˉp2,b=4gˉMˉp2,c=4ϵ .(34)

其中 ϵ = k 1 p 2 − 2 \epsilon = k_1 p_2 - 2 ϵ=k1p22。由于 a a a为负,因此 k 2 min > 0 k_2 \text{min} > 0 k2min>0应确保

k 2 = b 2 k 2 − 4 a c k 2 16 ϵ − 32 ( ϵ + 2 ) 2 g ˉ 2 k 1 2 M ˉ ( G ˉ − g ˉ ) > 0. (35) k_2 = \frac{b^2 k^2 - 4 a c k_2}{16 \epsilon - 32 \left(\epsilon + 2\right)^2 \bar{g}^2 k^2_1 \bar{M}} \left(\bar{G} - \bar{g}\right) > 0. \tag{35} k2=16ϵ32(ϵ+2)2gˉ2k12Mˉb2k24ack2(Gˉgˉ)>0.(35)

因此,选择参数 k 1 k_1 k1的可能值范围计算为

k 1 > ϵ + 2 g ˉ G ˉ − g ˉ 2 ϵ M ˉ . (36) k_1 > \frac{\epsilon + 2}{\bar{g}} \frac{\bar{G} - \bar{g}}{2 \epsilon \bar{M}}. \tag{36} k1>gˉϵ+22ϵMˉGˉgˉ.(36)

因此,只要 k 1 k_1 k1满足(36)的条件,就能保证 Q ^ \hat{Q} Q^的正定性。

注意到 ∥ ξ ∥ 2 = ξ 1 2 + ξ 2 2 \|\xi\|^2 = \xi^2_1 + \xi^2_2 ξ2=ξ12+ξ22 λ min ( Q ^ ) ∥ ξ ∥ 2 ≤ ξ T Q ^ ξ ≤ λ max ( Q ^ ) ∥ ξ ∥ 2 \lambda_{\text{min}}(\hat{Q}) \|\xi\|^2 \leq \xi^T \hat{Q} \xi \leq \lambda_{\text{max}}(\hat{Q}) \|\xi\|^2 λmin(Q^)ξ2ξTQ^ξλmax(Q^)ξ2,(24)式中 V 0 V_0 V0的导数表示为

V ˙ 0 ≤ − ∥ Δ ^ B ∥ λ min ( Q ^ ) ∥ ξ ∥ 2 ≤ − λ min ( Q ^ ) ∥ Δ ^ B ∥ ∥ ξ ∥ 2 . (37) \dot{V}_0 \leq - \left\| \hat{\Delta}_B \right\| \lambda_{\text{min}}(\hat{Q}) \|\xi\|^2 \leq - \lambda_{\text{min}}(\hat{Q}) \left\| \hat{\Delta}_B \right\| \|\xi\|^2. \tag{37} V˙0 Δ^B λmin(Q^)ξ2λmin(Q^) Δ^B ξ2.(37)

考虑到 λ min ( P ) ∥ ξ ∥ 2 ≤ V 0 ≤ λ max ( P ) ∥ ξ ∥ 2 \lambda_{\text{min}}(P) \|\xi\|^2 \leq V_0 \leq \lambda_{\text{max}}(P) \|\xi\|^2 λmin(P)ξ2V0λmax(P)ξ2 ∥ ξ ∥ \|\xi\| ξ的范围表示为

V 0 λ max ( P ) ≤ ∥ ξ ∥ ≤ V 0 λ min ( P ) . (38) \sqrt{\frac{V_0}{\lambda_{\text{max}}(P)}} \leq \|\xi\| \leq \sqrt{\frac{V_0}{\lambda_{\text{min}}(P)}}. \tag{38} λmax(P)V0 ξλmin(P)V0 .(38)

考虑 (37) 和 (38), V V V的导数得出

V ˙ ≤ − [ λ min ( Q ^ ) λ max ( P ) ] ∥ Δ ^ B ∥ V 1 / 2 . \dot{V} \leq -\left[\frac{\lambda_{\text{min}}(\hat{Q})}{\sqrt{\lambda_{\text{max}}(P)}}\right] \|\hat{\Delta}_B\| V^{1/2}. V˙[λmax(P) λmin(Q^)]Δ^BV1/2.

根据附录提供的具体证明,式(11)中的自适应控制律确保控制参数 k 1 k_1 k1满足条件(36),并实现式(18)中的Lyapunov函数 V V V的以下有限时间条件:

V ˙ ≤ − η V 1 / 2 , \dot{V} \leq -\eta V^{1/2}, V˙ηV1/2,

式中,

η = min ⁡ [ λ min ( Q ^ ) λ max ( P ) ∥ Δ ^ B ∥ , L 1 , 2 τ L 1 ] . \eta = \min\left[\frac{\lambda_{\text{min}}(\hat{Q})}{\sqrt{\lambda_{\text{max}}(P)}} \|\hat{\Delta}_B\|, \sqrt{L_1}, 2\tau \sqrt{L_1}\right]. η=min[λmax(P) λmin(Q^)Δ^B,L1 ,2τL1 ].

通过应用引理 1,可以保证 (13) 的有限时间稳定性。因此,滑动模式变量在满足以下条件的有限时间内收敛到零: T 1 T_1 T1

T 1 ≤ 2 η V 1 / 2 ( ξ 0 ) . T_1 \leq \frac{2}{\eta} V^{1/2}(\xi_0). T1η2V1/2(ξ0).

步骤 2: 随后的证明表明,(2) 中的轨迹可以在有限的时间内驱动到原点。基于步骤 1,可以得出结论,对于任何 t ≥ T 1 t \geq T_1 tT1 w = 0 w = 0 w=0都成立。因此,(7) 中的 V 0 V_0 V0的导数满足

KaTeX parse error: Got function '\boldsymbol' with no arguments as superscript at position 80: …bol{\Delta B}^ \̲b̲o̲l̲d̲s̲y̲m̲b̲o̲l̲{v} + \|\hat{R}…

按照[28,定理1],我们可以得出结论,具有名义控制输入 M 0 \boldsymbol{M}_0 M0的名义系统(3)的轨迹将在有限时间内全局收敛到原点 T 2 T_2 T2。因此,可以确保(2)中的 e 1 e_1 e1 e 2 e_2 e2在有限时间内收敛 T ≤ T 1 + T 2 T \leq T_1 + T_2 TT1+T2。证明到此结束。

备注3: 需要说明的是,在满足定理1的条件的前提下,合理选取控制参数可以提高RLV姿态系统的控制性能。例如,增大 l 1 l_1 l1 l 2 l_2 l2可以加快系统收敛速度,增大 L 1 L_1 L1 τ \tau τ可以加快扰动补偿速度。但是,这些改进是以增大控制力矩为代价的,这可能会给RLV飞行系统带来更大的负担。另外,减小 ρ \rho ρ的值虽然可以加快收敛速度,但可能导致控制平滑度的下降。实际应用中,这些参数的选取是在收敛速度、控制成本和控制平滑度之间的折衷。

IV. 模拟与讨论

本节通过仿真验证了所提AMSTLR算法的有效性,并对定理1中提出的方法与经典LR进行了仿真比较。

A. 模型与参数设置

标称控制器参数选定为 l 1 = 4 l_1 = 4 l1=4 l 2 = 2 l_2 = 2 l2=2 ρ = 0.4 \rho = 0.4 ρ=0.4。自适应控制增益参数的初始值设置为 k 1 ( 0 ) = 0.01 k_1(0) = 0.01 k1(0)=0.01。为了防止 (11) 中的增益 k 1 k_1 k1 k 2 k_2 k2无限增加,对于 ∥ w ∥ ≥ ϵ \|w\| \geq \epsilon wϵ,参数设计为 L 1 = 0.18 L_1 = 0.18 L1=0.18 τ = 0.5 \tau = 0.5 τ=0.5,对于 ∥ w ∥ < ϵ \|w\| < \epsilon w<ϵ,其中 ϵ = 0.0001 \epsilon = 0.0001 ϵ=0.0001,参数设计为 L 1 = 0 L_1 = 0 L1=0。系统的初始状态设置为 Θ 0 = [ α 0 , β 0 , σ 0 ] T = [ 0.2 , 0.2 , 0.2 ] T \Theta_0 = [\alpha_0, \beta_0, \sigma_0]^T = [0.2, 0.2, 0.2]^T Θ0=[α0,β0,σ0]T=[0.2,0.2,0.2]Trad 和 ω 0 = [ p 0 , q 0 , r 0 ] T = [ 0 , 0 , 0 ] T \omega_0 = [p_0, q_0, r_0]^T = [0, 0, 0]^T ω0=[p0,q0,r0]T=[0,0,0]Trad/s 。为了证明 AST 的鲁棒性,时间相关扰动 Δ M ( t ) \Delta M(t) ΔM(t)由下式给出

Δ M = { 2 × 1 0 4 [ sin ⁡ ( 3 t ) , 2 cos ⁡ ( 3 t ) , 3 sin ⁡ ( 3 t ) ] T , 0 < t ≤ 5 5 × 1 0 5 [ sin ⁡ ( 4 t ) , 2 cos ⁡ ( 4 t ) , 3 sin ⁡ ( 4 t ) ] T , 5 < t ≤ 10 1.5 × 1 0 6 [ sin ⁡ ( 5 t ) , 2 cos ⁡ ( 5 t ) , 3 sin ⁡ ( 5 t ) ] T , 10 < t ≤ 20. \Delta _M = \begin{cases} 2 \times 10^4 [\sin(3t), 2 \cos(3t), 3 \sin(3t)]^T, & 0 < t \leq 5 \\ 5 \times 10^5 [\sin(4t), 2 \cos(4t), 3 \sin(4t)]^T, & 5 < t \leq 10 \\ 1.5 \times 10^6 [\sin(5t), 2 \cos(5t), 3 \sin(5t)]^T, & 10 < t \leq 20. \end{cases} ΔM= 2×104[sin(3t),2cos(3t),3sin(3t)]T,5×105[sin(4t),2cos(4t),3sin(4t)]T,1.5×106[sin(5t),2cos(5t),3sin(5t)]T,0<t55<t1010<t20.

所需的参考命令由 Θ ref = [ α ref , β ref , σ ref ] T = [ 0.5 sin ⁡ ( t ) , 0.4 cos ⁡ ( t ) , 0.3 sin ⁡ ( t ) ] T \Theta_{\text{ref}} = [\alpha_{\text{ref}}, \beta_{\text{ref}}, \sigma_{\text{ref}}]^T = [0.5 \sin(t), 0.4 \cos(t), 0.3 \sin(t)]^T Θref=[αref,βref,σref]T=[0.5sin(t),0.4cos(t),0.3sin(t)]Trad 选择。不确定的控制系数由 Δ B = ( 3 + sin ⁡ ( 3 t ) ) I 3 \Delta_B = (3 + \sin(3t))I_3 ΔB=(3+sin(3t))I3给出。

B. 结果分析

图 3 中的图表描绘了实际姿态和参考姿态,而 图 4 则说明了姿态跟踪误差。这些图表明,即使在存在不确定性的情况下,所提出的 AMSTLR 算法也能精确跟踪参考命令。图 5 显示了自适应律和扰动曲线的变化。分段扰动会在特定点引起突然的外部干扰,从而提供了一种验证本文所提出方法的稳健性的方法。观察到自适应增益 k 1 k_1 k1动态增加以驱动系统状态向原点移动,此后保持不变,这是由于扰动 Δ M \boldsymbol{\Delta_M} ΔM在 5 秒和 10 秒时出现阶跃跳跃。此外,图 6 显示了滑动变量和 Lyapunov 函数的演变,表明滑动模式变量 w w w和 Lyapunov 函数 V 0 V_0 V0在有限时间内收敛到原点。为了解决抖动问题,AST 用不连续项代替了不连续项来生成连续控制信号。图 7 对所开发的方法与利用不连续控制输入的经典 LR 进行了比较。该图显示了当采用所提出的 AST 控制代替不连续控制时控制信号中抖动的衰减。根据 (2),不确定性(包括外部干扰、不确定控制系数和系统标称项)可以表示为 − Δ B − 1 I R − 1 ( F + R I − 1 Δ M ) -\boldsymbol{\Delta_B}^{-1}\boldsymbol{I}_R - 1(\boldsymbol{F} + \boldsymbol{R}\boldsymbol{I}^{-1}\boldsymbol{\Delta_M}) ΔB1IR1(F+RI1ΔM)图 8 显示,即使在 t = 5 t = 5 t=5 t = 10 t = 10 t=10存在显著变量扰动的情况下,控制输入 M \boldsymbol{M} M也能成功抵消不确定性。仿真结果表明,设计的控制器可以有效地抑制不确定的控制系数和外部干扰。

V. 结论

本文通过一种新颖的连续 AMSTLR 方法解决了具有未知干扰和不确定控制系数的再入姿态控制系统的鲁棒稳定性问题。所提出的方法具有几个明显的优势,包括:

  1. 有限时间稳定性;
  2. 连续控制信号;
  3. 对未知干扰和不确定控制系数的鲁棒性。
    利用Lyapunov技术给出了该算法的收敛标准和严格的稳定性证明。

附录

在附录中,我们证明自适应增益 k 1 k_1 k1收敛到 (36),确保矩阵 Q ^ ( t ) \hat{Q}(t) Q^(t)的正定性,并满足有限时间收敛条件 V ˙ ≤ − η V 1 / 2 \dot{V} \leq -\eta V^{1/2} V˙ηV1/2

从 (18) 中的 Lyapunov 函数 V = V a + 1 2 ( k 1 − k 1 ∗ ) 2 + 1 2 ( k 2 − k 2 ∗ ) 2 V = V_{\text{a}} + \frac{1}{2}(k_1 - k^*_1)^2 + \frac{1}{2}(k_2 - k^*_2)^2 V=Va+21(k1k1)2+21(k2k2)2开始,利用柯西不等式 ( a 2 + b 2 + c 2 ) 1 / 2 ≤ ∣ a ∣ + ∣ b ∣ + ∣ c ∣ (a^2 + b^2 + c^2)^{1/2} \leq |a| + |b| + |c| (a2+b2+c2)1/2a+b+c V V V可以重写为:
V = ( V a + 1 2 ( k 1 − k 1 ∗ ) 2 + 1 2 ( k 2 − k 2 ∗ ) 2 ) 1 / 2 ≤ V a 1 / 2 + 2 2 ∣ k 1 − k 1 ∗ ∣ + 2 2 ∣ k 2 − k 2 ∗ ∣ . \sqrt{V} = \left(V_{\text{a}} + \frac{1}{2}(k_1 - k^*_1)^2 + \frac{1}{2}(k_2 - k^*_2)^2\right)^{1/2} \leq V_{\text{a}}^{1/2} + \frac{\sqrt{2}}{2} |k_1 - k^*_1| + \frac{\sqrt{2}}{2} |k_2 - k^*_2|. V =(Va+21(k1k1)2+21(k2k2)2)1/2Va1/2+22 k1k1+22 k2k2∣.
此外,还可以推导出以下不等式:
− μ 1 V a 1 / 2 − ( L 1 2 ∣ k 1 − k 1 ∗ ∣ + L 2 2 ∣ k 2 − k 2 ∗ ∣ ) ≤ − η V , -\mu_1 V_{\text{a}}^{1/2} - \left(\frac{L_1}{2} |k_1 - k^*_1| + \frac{L_2}{2} |k_2 - k^*_2|\right) \leq -\eta \sqrt{V}, μ1Va1/2(2L1k1k1+2L2k2k2)ηV ,

其中 μ 1 = λ min ( Q ^ ) λ max ( P ) Δ ^ B F ^ \mu_1 = \frac{\lambda_{\text{min}}(\hat{Q})}{\sqrt{\lambda_{\text{max}}(P)}} \hat{\Delta}_B \hat{F} μ1=λmax(P) λmin(Q^)Δ^BF^ η = min ⁡ ( μ 1 , L 1 , L 2 ) \eta = \min(\mu_1, \sqrt{L_1}, \sqrt{L_2}) η=min(μ1,L1 ,L2 )

V V V的导数由下式给出:

V ˙ = V ˙ a + ( k 1 − k 1 ∗ ) k ˙ 1 + ( k 2 − k 2 ∗ ) k ˙ 2 . \dot{V} = \dot{V}_{\text{a}} + (k_1 - k^*_1) \dot{k}_1 + (k_2 - k^*_2) \dot{k}_2. V˙=V˙a+(k1k1)k˙1+(k2k2)k˙2.

通过考虑 V ˙ a ≤ − μ 1 V a 1 / 2 \dot{V}_{\text{a}} \leq -\mu_1 V_{\text{a}}^{1/2} V˙aμ1Va1/2,使用 (43) ,并减去和添加项 L 1 2 ∣ k 1 − k 1 ∗ ∣ + L 2 2 ∣ k 2 − k 2 ∗ ∣ \frac{\sqrt{L_1}}{2}|k_1 - k^*_1| + \frac{\sqrt{L_2}}{2}|k_2 - k^*_2| 2L1 k1k1+2L2 k2k2, (44) 可以进一步转换为:

V ˙ ≤ − η V 1 / 2 + ( k 1 − k 1 ∗ ) k ˙ 1 + ( k 2 − k 2 ∗ ) k ˙ 2 + L 1 2 ∣ k 1 − k 1 ∗ ∣ + L 2 2 ∣ k 2 − k 2 ∗ ∣ . \dot{V} \leq -\eta V^{1/2} + (k_1 - k^*_1) \dot{k}_1 + (k_2 - k^*_2) \dot{k}_2 + \frac{L_1}{2} |k_1 - k^*_1| + \frac{L_2}{2} |k_2 - k^*_2|. V˙ηV1/2+(k1k1)k˙1+(k2k2)k˙2+2L1k1k1+2L2k2k2∣.

为了确保有限时间收敛,自适应增益 k 1 k_1 k1 k 2 k_2 k2应该有界。这意味着存在正常数 k 1 ∗ k^*_1 k1 k 2 ∗ k^*_2 k2,使得 k 1 ( t ) − k 1 ∗ < 0 k_1(t) - k^*_1 < 0 k1(t)k1<0 k 2 ( t ) − k 2 ∗ < 0 k_2(t) - k^*_2 < 0 k2(t)k2<0 t ≥ 0 t \geq 0 t0。因此,不等式 (45) 可以转化为:

V ˙ ≤ − η V 1 / 2 − ∣ k 1 − k 1 ∗ ∣ ( k ˙ 1 − L 1 2 ) − ∣ k 2 − k 2 ∗ ∣ ( k ˙ 2 − L 2 2 ) . \dot{V} \leq -\eta V^{1/2} - |k_1 - k^*_1| (\dot{k}_1 - \sqrt{\frac{L_1}{2}}) - |k_2 - k^*_2| (\dot{k}_2 - \sqrt{\frac{L_2}{2}}). V˙ηV1/2k1k1(k˙12L1 )k2k2(k˙22L2 ).

我们定义:

U = − ∣ k 1 − k 1 ∗ ∣ ( k ˙ 1 − L 1 2 ) − ∣ k 2 − k 2 ∗ ∣ ( k ˙ 2 − L 2 2 ) . U = -|k_1 - k^*_1| (\dot{k}_1 - \sqrt{\frac{L_1}{2}}) - |k_2 - k^*_2| (\dot{k}_2 - \sqrt{\frac{L_2}{2}}). U=k1k1(k˙12L1 )k2k2(k˙22L2 ).

对于有限时间收敛, U = 0 U = 0 U=0应该通过调整增益 k 1 k_1 k1 k 2 k_2 k2来保证。在这种情况下,增益 k 1 k_1 k1 k 2 k_2 k2应该满足:

k ˙ 1 = L 1 2 , k ˙ 2 = L 2 2 . \dot{k}_1 = \frac{L_1}{2}, \quad \dot{k}_2 = \frac{L_2}{2}. k˙1=2L1,k˙2=2L2.

通过选择 τ = 1 2 L 2 L 1 \tau = \frac{1}{2} \sqrt{\frac{L_2}{L_1}} τ=21L1L2 ,(11)和(47)是等价的,如下面的推导所示:

k 2 = 2 τ k 1 ⇒ k ˙ 2 = 2 τ k ˙ 1 ⇒ k ˙ 2 = L 2 2 . k_2 = 2\tau k_1 \Rightarrow \dot{k}_2 = 2\tau \dot{k}_1 \Rightarrow \dot{k}_2 = \frac{L_2}{2}. k2=2τk1k˙2=2τk˙1k˙2=2L2.

为了实现有限时间收敛, k 1 k_1 k1需要满足 (36)。这意味着 k 1 k_1 k1必须按照 (47) 增加,直到满足 (36)。由于 k 1 k_1 k1线性增加,因此目标将在有限时间内达到。此外,不等式 (46) 可以进一步转换为 V ˙ ≤ − η V 1 / 2 \dot{V} \leq -\eta V^{1/2} V˙ηV1/2,其中 η = min ⁡ ( μ 1 , L 1 , L 2 ) \eta = \min(\mu_1, \sqrt{L_1}, \sqrt{L_2}) η=min(μ1,L1 ,L2 )

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