基于模糊理论的航天器编队协同控制研究

发布时间：2017-10-20 05:42

  本文关键词：基于模糊理论的航天器编队协同控制研究

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【摘要】：微小卫星编队技术具有研制周期短、成本低、可批量生产及发射等优点,近年来已广泛应用于各项航天任务,以满足不同任务需求。随着空间任务的复杂化,编队卫星系统面临着新的考验,提出了更高的控制要求。本文以微小卫星姿态控制系统为研究背景,重点分析了主从协同控制模式下的编队任务中各卫星的姿态智能控制问题。在经典的控制理论及方法的基础上,结合先进的智能模糊理论,设计了卫星编队姿态协同模糊控制器。本文首先介绍了几种常用的坐标系及两坐标系之间相互转换的方法以及几种常用的用于描述卫星姿态的数学方法,并重点介绍了四元数描述法,建立了研究对象的数学模型与刚体卫星的姿态模型,给出了卫星相对姿态运动学方程及动力学方程,为展开后文的深入研究进行了理论铺垫。鉴于经典的控制技术具有一定的局限性,本文结合更为优化的智能控制技术——模糊控制,介绍了模糊理论的基础知识并给出了模糊控制器设计原则。假设外界环境为理想状态,当编队卫星的绝对期望姿态为某一常值时,设计了经典的PD卫星姿态控制器。但由于实时调节PD参数较为不便,在此基础上结合Mamdani模糊推理法设计了编队卫星姿态协同控制器,并与经典PD控制器进行了仿真对比。通过仿真结果可以观察到,模糊控制器在控制性能上较经典PD控制器略占优势,但由于模糊控制器的设计依赖专家经验积累,控制效果取决于隶属函数的划分,因此优势并不明显。在多数情况下,主从模式下的卫星编队的期望姿态并非常值,这是由于卫星在执行空间任务时,自身质量会发生变化且会受到多种来自外部环境的干扰,对卫星的姿态控制效果产生一定的影响。为了抑制模型的不确定性和外界干扰等因素,引入鲁棒性较好的模糊滑模与模糊控制器相结合,进一步优化系统性能。
【关键词】：微小卫星编队 卫星姿态 模糊理论 主从模式 协同控制
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 主要符号表11-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 研究的背景及目的12-13
• 1.2 航天器姿态控制方法的发展现状13-15
• 1.3 协同控制技术发展概况15-20
• 1.4 航天器编队飞行任务发展综述20-22
• 1.4.1 地球勘测任务20-21
• 1.4.2 深空探测任务21
• 1.4.3 科学演示任务21-22
• 1.4.4 军事应用22
• 1.5 本文的主要内容22-24
• 第2章 航天器姿态系统的数学描述24-34
• 2.1 坐标系定义及转换24-25
• 2.1.1 坐标系定义24-25
• 2.1.2 坐标系之间的转换25
• 2.2 航天器姿态运动学及动力学25-34
• 2.2.1 卫星姿态的数学描述26-31
• 2.2.2 卫星姿态运动学方程31
• 2.2.3 卫星姿态动力学方程31-32
• 2.2.4 卫星相对姿态运动学和动力学方程32-34
• 第3章 模糊理论基础及控制原理34-42
• 3.1 模糊理论基础34-37
• 3.1.1 模糊集合的概念及隶属函数34-35
• 3.1.2 模糊逻辑与模糊推理35-37
• 3.2 模糊控制原理37-42
• 3.2.1 模糊控制基本思想37-38
• 3.2.2 量化因子和比例因子38-39
• 3.2.3 模糊化与去模糊化39-41
• 3.2.4 模糊控制规则设计41-42
• 第4章 编队卫星模糊姿态协同控制器设计42-54
• 4.1 PD控制器的设计42-44
• 4.2 编队卫星模糊姿态协同控制器的设计与仿真44-47
• 4.2.1 模糊化和去模糊化45
• 4.2.2 隶属函数的选取45-46
• 4.2.3 模糊控制规则46-47
• 4.3 数值仿真与结果分析47-53
• 4.4 小结53-54
• 第5章 模糊滑模编队姿态协同控制54-69
• 5.1 滑模控制的基本原理54-55
• 5.2 滑模控制系统的设计55-58
• 5.2.1 滑模控制系统的稳定性55-56
• 5.2.2 滑模控制系统的控制律56-58
• 5.3 自适应模糊控制系统58-62
• 5.3.1 自适应模糊控制系统58-59
• 5.3.2 自适应律的设计59-61
• 5.3.3 自适应模糊控制器的设计61-62
• 5.4 数值仿真与结果分析62-68
• 5.5 小结68-69
• 结论69-71
• 参考文献71-74
• 致谢74-75
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文75

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本文编号：1065564