本文關鍵詞：編隊飛行航天器有限時間協(xié)同控制　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：航天器編隊飛行具有成本低、可靠性高、靈活性高等優(yōu)點,在深空探測和地球監(jiān)測等方面有著廣泛的應用,是航天技術中的一個重要研究方向。分布式協(xié)同控制算法是實現(xiàn)編隊飛行的核心技術和前提保障。本文采用旋轉(zhuǎn)矩陣描述航天器姿態(tài),利用一致性算法、基于行為的控制思想、有限時間控制策略和代數(shù)圖論對航天器編隊飛行的有限時間分布式姿態(tài)協(xié)同控制和有限時間分布式姿態(tài)軌道耦合協(xié)同控制進行了深入研究,主要內(nèi)容如下:首先,研究了編隊飛行航天器系統(tǒng)無外部擾動時的有限時間分布式姿態(tài)協(xié)同控制問題。在通信拓撲為無向圖的條件下,利用齊次理論研究了全狀態(tài)反饋有限時間分布式協(xié)同控制器;在此基礎上引入濾波器,研究了無角速度反饋有限時間分布式協(xié)同控制器。通過嚴格的理論證明可以得出,上述兩種協(xié)同控制器可以保證系統(tǒng)是幾乎全局有限時間穩(wěn)定的。針對航天器執(zhí)行器存在飽和約束的情況,分別設計了抗飽和的全狀態(tài)反饋有限時間分布式協(xié)同控制器和抗飽和的無角速度反饋有限時間分布式協(xié)同控制器。所提出的四種有限時間協(xié)同控制器只要求拓撲結構為無向圖,沒有其它附加要求。另外,控制器不包含轉(zhuǎn)動慣量信息,對其具有魯棒性。其次,在編隊飛行航天器系統(tǒng)存在外部擾動、通信拓撲為連通的無向圖的條件下,利用終端滑模和自適應控制研究了有限時間分布式姿態(tài)協(xié)同控制問題。針對系統(tǒng)外部擾動的上界已知和未知的兩種情況,分別設計了魯棒有限時間分布式協(xié)同控制器。由于控制器中包含所設計的特定終端滑模面,可以保證系統(tǒng)是幾乎全局有限時間穩(wěn)定的。針對航天器的執(zhí)行機構存在輸出飽和的情況,利用終端滑模、雙曲正切函數(shù)和輔助系統(tǒng),設計了抗飽和的有限時間分布式協(xié)同控制器。這三種控制器都不需要相鄰編隊成員的控制信息,成功地解決了代數(shù)環(huán)問題,并且降低了無線傳輸?shù)念~外負擔。再次,在編隊飛行航天器系統(tǒng)存在外部擾動,并且通信拓撲為有向圖的條件下,利用終端滑模、反步法和自適應控制研究了有限時間分布式姿態(tài)協(xié)同控制問題。針對系統(tǒng)外部擾動的上界已知和未知的情況,利用終端滑模和自適應控制分別設計了有限時間協(xié)同控制器,然而,由于有向圖約束的復雜性,此兩種控制器沒有解決代數(shù)環(huán)問題。進一步利用反步法、終端滑模和自適應控制分別設計了有限時間協(xié)同控制器,成功解決了代數(shù)環(huán)問題,并降低了無線傳輸?shù)念~外負擔。最后,在通信拓撲為無向圖的條件下,針對編隊飛行航天器姿態(tài)軌道耦合系統(tǒng),利用齊次性理論、濾波器、終端滑模和輔助系統(tǒng),研究了有限時間分布式姿態(tài)軌道耦合協(xié)同控制問題。在系統(tǒng)無外部擾動時,利用齊次理論設計了全狀態(tài)反饋有限時間分布式姿態(tài)軌道耦合協(xié)同控制器;在此基礎上引入濾波器,設計了輸出反饋有限時間分布式協(xié)同控制器。所提出的兩種有限時間協(xié)同控制器只要求拓撲結構為無向圖,沒有其它附加要求。通過嚴格的理論證明可以得出,系統(tǒng)是幾乎全局有限時間穩(wěn)定的。另外,控制器不包含轉(zhuǎn)動慣量信息,對其具有魯棒性。在編隊飛行航天器系統(tǒng)有外部擾動的條件下,利用終端滑模和輔助系統(tǒng),分別設計了魯棒的有限時間分布式姿態(tài)軌道耦合協(xié)同控制器和抗飽和的有限時間分布式姿態(tài)軌道耦合協(xié)同控制器,不僅解決了系統(tǒng)受外部擾動和執(zhí)行器存在飽和時的協(xié)同控制問題,而且解決了代數(shù)環(huán)問題,降低了無線傳輸?shù)念~外負擔。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V448.2
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本文編號：1314712