时变增益ESO在无源航天器姿态跟踪控制中的应用

"该文主要探讨了在没有角速度测量的情况下，如何利用扩展状态观测器(ESO)实现航天器的无源姿态跟踪控制。针对修正罗德里格参数描述的航天器姿态运动模型，文章设计了一种时变增益的ESO来估计角速度和系统干扰。此外，结合互连和阻尼分配无源控制(IDA-PBC)理论以及backstepping设计方法，提出了跟踪控制律，并从理论上证明了闭环系统的稳定性。仿真结果验证了所提控制策略的有效性。关键词包括姿态跟踪、无源性、互连和阻尼分配、扩展状态观测器以及时变增益。" 这篇论文的核心内容是解决航天器姿态控制的问题，尤其是在缺乏角速度测量数据的情况下。姿态跟踪控制对于航天器的操作至关重要，因为它确保航天器能精确地按照预定轨迹或指令调整和保持其方向。传统的控制方法依赖于完整的传感器数据，但在此研究中，作者采取了一种创新的方法。 首先，文章引入了扩展状态观测器(ESO)的概念。ESO是一种高级的控制技术，用于估计系统中未被直接测量的状态变量。在本文中，ESO被设计成具有时变增益，目的是减轻常值增益ESO可能导致的峰值现象，即在某些条件下观察器的输出可能出现急剧上升。时变增益的设计可以更有效地估计角速度和系统干扰，提高观测精度。 其次，考虑到航天器姿态运动的无源特性，论文采用了无源控制策略。无源性是控制理论中一个重要的概念，它意味着系统能在不依赖外部能源的情况下维持稳定运行。结合互连和阻尼分配无源控制（IDA-PBC）理论，可以构建出一种能量守恒的控制系统，从而在没有角速度数据的情况下实现姿态控制。同时，backstepping方法被用来设计控制律，这是一种递归的控制设计技术，能够保证系统的稳定性并实现精确的轨迹跟踪。 最后，作者进行了闭环系统的稳定性分析，这是验证控制策略有效性的重要步骤。通过理论证明，可以确保在实施提出的控制策略后，系统能够在各种扰动下保持稳定，达到预期的跟踪性能。 通过仿真实验，论文展示了所提控制方法的实际效果，进一步证实了这种方法在无角速度测量条件下的可行性。这项工作为航天器姿态控制提供了一个新的视角，特别是在传感器受限或失效时，这种控制策略具有重要的实际应用价值。