航天器非脆弱控制理论及应用研究进展

随着航天工程的逐步实施，航天器正朝着高速、大尺度、多功能的大型化和复杂化方向发展，强鲁棒 非脆弱高精高稳控制技术是保证航天器在复杂太空环境下正常运行并成功实施空间任务的有效保障。本文梳理 非脆弱控制理论的起源及发展，进而总结基于线性矩阵不等式（ｌｉｎｅａｒｍａｔｒｉｘｉｎｅｑｕａｌｉｔｙ，ＬＭＩ）方法的鲁棒非脆弱 控制器在航天器轨道及姿态控制中的应用，在考虑加法式摄动和乘法式摄动的条件下，进一步说明非脆弱状态反 馈控制器、输出反馈控制器、干扰观测器及中间状态观测器的设计方法，并对未来航天器非脆弱控制方法的发展 与应用提出展望，为航天器鲁棒非脆弱控制方法的研究探索提供思考，以满足日益复杂的航天器高精高稳控制任 务需求。随着世界各国开发利用空间的广度和深度不断增加， 航天重大工程的逐步实施，航天器正朝着超高速、超大尺 度、多功能的大型化和复杂化方向发展，其中重型运载火 箭、高精度卫星平台、高性能有效载荷、深空探测器、相关地 面设备等航天重大装备均成为必不可少的高端装备［１］。为 满足未来复杂多元化空间任务的需要及空间科学与应用技 术对高品质航天器控制系统设计的需求，航天器的高精高 稳控制方法得到深入探索，相关研究成果已成功应用于大 量型号任务［２３］。面向空间引力波探测的高精度控制任务 指标，天琴一号试验卫星采用的高精度无拖曳控制方法使 得残余加速度噪声小于２×１０－８ ｍ／ｓ２［４］；嫦娥五号月球探 测器成功实现无人月球轨道自主交会对接，其对接横向位 移达到０．０２３ｍ，相对姿态角小于０．３５°，相对姿态角速度 小于０．００５°／ｓ［５］；天问一号火星探测器首次将环绕 着陆 巡视 ３ 项任务一体化实现，其着陆控制水平速度小于 ０．１６ｍ／ｓ，姿态误差小于０．３５°［６］。美国宇航局２０２１年发 射的詹 姆 斯 · 韦 伯 空 间 望 远 镜 的 姿 态 指 向 精 度 可 达 ０．３″～０．４５″，短时间姿态稳定度可达６．２～６．７ｍａｓ［７］。 强自主、高可靠、高精度、高稳定性的控制技术是保证航天 器在复杂空间环境下正常运行并成功实施空间任务的有 效保障［８］。 针对刚体航天器、柔性航天器、组合体、星群、大型空间 结构、太空电梯等典型的航天器系统，其控制问题成为长期 的研究热点，包 括 自 适 应 控 制［９］、学 习 控 制［１０］、滑 模 控 制［１１］、输出反馈［１２］、比例 积分 微分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｇｒａｌ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ，ＰＩＤ）控制［１３］、最优控制［１４］等经典方法都取得 良好的控制效果。然而，在实际航天任务中，航天器不可 避免地会受到包含外界干扰、测量误差、模型参数不确定 性、惯性参数不确定性等各种不确定性因素的影响而导致 控制系统性能下降，航天器鲁棒控制技术得到进一步的研 究和发展［１５］。传统的鲁棒控制方法主要是处理干扰、建 模误差等不确定性的影响，而在实际控制系统中由于数值 计算受到舍入误差、随机故障、环境噪声等的影响，同时计 算机受字长限制、转换精度、数值操作中的截断误差等原 因，控制器会出现增益求解不精确的问题，形式上表现为 增益扰动，如何克服这类增益摄动问题使得系统具有更高 精度面临新的挑战，非脆弱控制方法可为此提供有效解决 途径［１６］。 本文基于团队多年研究工作，参考国内外相关学者的 代表性研究成果，针对目前非脆弱控制理论的研究进展及 其在航天器控制领域的应用进行梳理和总结，调研并归纳 非脆弱控制理论的起源、发展与研究现状，进而阐述航天器 非脆弱控制技术的研究思路、方法与应用效果，并对其未来 发展与应用提出展望，希望给予相关学者从事进一步的研 究工作提供参考，使得航天器非脆弱控制方法得到进一步 的拓展。