基于特征模型自适应控制的稳定性及在挠性充液航天器中应用的研究

This project aims to study the stability of the characteristic model-based adaptive control (CMAC) method，by taking large flexible liquid-filled spacecraft as engineering background. On one hand, for a class of MIMO nonlinear uncertain systems, we focus on the characteristic modeling problem as well as the multivariable characteristic model-based adaptive control (M-CMAC) design. Furthermore, from an engineering application perspective and considering the case where the sampling period is prescribed, we investigate the stability of the above nonlinear uncertain systems under the proposed M-CMAC law. On the other hand, based on all the above, we first explore an explicit adaptive attitude controller for flexible liquid-filled spacecraft, and then analyze its control performance theoretically and, concurrently, establish a set of practical modeling and intelligent autonomous control method. Also, visual simulation software is developed and simulation experiments are carried out. All of these lay foundations for future practical applications. In summary, it is of great scientific and military significance to investigate the intelligent autonomous control for large flexible liquid-filled spacecraft, which is also one of the important research areas in our country currently. Moreover, as a basic theoretical research in multivariable characteristic modeling and adaptive control, this project considers the critical problems needed to be solved badly in engineering and aerospace, and our research findings will lay theoretical foundations for practical applications of the CMAC method. Actually, the developed M-CMAC method can also be applied to other complex systems with similar structure, illustrating its broad application prospects.

本项目以大型挠性充液航天器为背景，研究基于特征模型自适应控制的稳定性问题。具体针对多输入多输出非线性不确定性系统，研究特征建模问题以及基于多变量特征模型的自适应控制方法；并结合工程实际，探讨采样周期给定时，特征模型自适应控制的稳定性问题。并以此为基础，研究挠性充液航天器基于特征模型的自适应姿态控制设计及其稳定性问题，建立一套实用的建模与智能自主控制方法，开发可视化仿真软件，开展仿真试验，为实际应用奠定基础。大型挠性充液航天器的智能自主控制研究具有重要的科学和军事意义，是我国目前重点鼓励和支持的研究领域之一。本项目的研究内容属于多变量特征模型与控制这一新领域的基础理论研究，是工程界和航天领域亟需解决的关键问题，为特征建模及控制方法的工程应用奠定理论基础。所提出的基于多变量特征模型的自适应控制方法还可推广到其他类似的复杂控制系统中，具有广阔的应用前景和重大的现实意义。

本项目按照研究计划执行，完成了研究目标。项目围绕MIMO非线性不确定系统基于特征模型的自适应控制及其稳定性、挠性充液航天器基于特征模型的自适应姿态控制及控制性能分析、仿真验证三方面主要研究内容，开展了深入研究。首先，研究了多变量非线性不确定系统的特征建模问题，提出了两种新型特征建模方法：易于定量分析建模误差的构造性特征建模方法和适应快时变不确定性的基于神经网络的特征建模方法。进一步，提出了基于神经网络特征模型的自适应滑模控制方法、以及综合“控制误差”和“预报误差”的复合自适应控制方法，研究表明上述控制器具有对时变不确定性的适应性及较好的鲁棒性。在此基础上，研究了基于特征模型自适应控制的稳定性问题。针对一类高阶局部Lipschitz连续非线性不确定系统的位置跟踪问题，证明了黄金分割自适应控制器与原系统组成的闭环系统稳定，并且输出跟踪误差可达到充分小，该结果将已有研究中全局Lipschitz非线性要求放宽至一般的局部Lipschitz非线性；围绕一类含有未建模动态的二阶时变特征模型的位置跟踪控制问题，证明了当采样周期给定的前提下，黄金分割自适应控制器与特征模型组成闭环系统的稳定性，一定程度上改进了已有研究中要求采样周期足够小这一弊端。其次，针对挠性充液航天器姿态控制问题，建立了二阶多变量时变特征模型；给出了基于耗散理论的无源控制器，分析了闭环系统的稳定性。最后，以交会对接任务中挠性航天器姿态跟踪控制为背景，开展了地面半物理仿真试验，对所提出的特征模型自适应控制方法的有效性进行了系统验证和评估。.此外，项目实施过程中，项目成员多次参加学术会议，积极开展学术交流与合作，有效促进了本项目的研究。.本项目实现了预期研究结果，共发表学术论文7篇，申请国家发明专利1项，成果作为部分章节选录入专著《特征建模理论、方法和应用》中（已出版），并形成航天国防科技报告1份，协助培养博士后1名，博士生1名。