10、基于扩展状态观测器的航天器最优姿态鲁棒控制

基于扩展状态观测器的航天器最优姿态鲁棒控制

1. 引言

在实际应用中，航天器姿态控制系统总是存在外部干扰和不确定性。这些因素在理论分析中难以处理，但对于理论结果的成功实施至关重要。在最优控制方面，同时考虑时间最优、燃料/能量最优或其他最优性能指标时，这些问题变得更具挑战性。由于非线性最优控制在处理非线性和不确定性方面具有固有的鲁棒性和最优性，它成为解决非线性姿态控制问题的潜在方法。

为了主动补偿不确定性和干扰，扩展状态观测器（ESO）被认为是一种有效的方法。ESO 的核心思想是将系统的不确定性和干扰视为系统的附加或扩展状态，然后通过 ESO 快速准确地估计包括扩展状态在内的所有状态。不过，在 ESO 的收敛性方面，对于闭环系统稳定性的严格证明较少，并且在将 ESO 与控制李雅普诺夫函数（CLF）结合时，稳定性分析仍存在不足。

另外，虽然已有许多研究成果可处理存在不确定性或干扰时的姿态控制问题，但难以同时考虑时间最优、燃料/能量最优等优化问题。逆最优控制技术是推导航天器姿态控制问题最优反馈控制律的一种替代方法。同时，执行器饱和也是实际中会遇到的重要问题，若系统没有合适的控制方案来解决饱和问题，会降低系统性能甚至使闭环系统不稳定。

本文将解决航天器姿态控制系统在外部干扰、参数不确定性和控制输入饱和情况下的最优控制问题。首先研究 ESO 来估计系统的所有状态，以补偿特定的总不确定性，并通过严格的李雅普诺夫分析保证 ESO 在有限时间内的一致最终有界稳定性。然后采用逆最优 CLF 方法保证闭环系统的渐近稳定性，同时实现最优/最小性能指标。最后，基于零动态流形横向动力学的输入 - 输出线性化，开发基于快速指数稳定 CLF 的最优控制方案，并利用二次规划技术成功解决执行器