二阶系统有限时间控制问题研究

发布时间：2020-11-21 04:14

　　 当系统模型精确已知时,带有指数参数的有限时间控制能使系统状态在有限时间内收敛到平衡点上,而渐近控制系统收敛到平衡点的时间在理论上是无穷的。在实际工程中,相比渐近控制(比如PID控制),有限时间控制具有收敛更快、精度更高且耗能更少等优点。因此有限时间控制是一种优于传统渐近控制的高级控制方法。二阶系统能表示很多实际控制系统的数学模型,比如卫星、车辆、船舶等运动体运动模型,对二阶系统的有限时间控制理论研究,是研究高阶有限时间控制系统的基础。航天器姿态控制系统是典型的二阶非线性系统,也是航天器系统的重要组成部分,其控制方案设计的好坏直接影响着航天器姿态系统的各项性能指标,甚至影响着整个航天任务能否正常完成。鉴于以上所述,本文针对一般二阶系统及航天器姿态控制系统,对连续有限时间控制相关的定义、定理、性能、分析方法以及设计方法等问题开展研究。主要章节的研究内容概括如下:研究有限时间控制的定义及意义。首先针对受干扰系统,本文给出了有限时间收敛有界的定义,该定义能区分有限时间控制和渐近控制,进而给出了有限时间控制的定义。其次提出扩展局部有限时间稳定定理和扩展有限时间收敛有界定理,相比传统定理,新定理具有更好的适用性与更小的保守性。研究有限时间状态反馈控制。针对一般二阶系统,研究干扰存在时齐次控制不能分析系统稳定性的问题,用Lyapunov方法证明在齐次控制器作用下,受扰动系统为有限时间收敛有界;研究加幂积分控制参数约束大的问题,提出了一种简化控制参数方法,并根据是否考虑干扰分别分析了系统的稳定性;研究经典非奇异终端滑模不能计算收敛时间上界问题,用加幂积分方法重新对控制系统稳定性进行分析,得到有界的收敛时间上界数学表达式,并根据是否考虑干扰分别分析了系统的稳定性。针对航天器有限时间姿态稳定问题,在以上成果基础上,分别设计了齐次姿态控制器、加幂积分姿态控制器和非奇异终端滑模姿态控制器,在考虑干扰情况下,证明姿态系统为有限时间收敛有界。研究有限时间输出反馈控制。针对一类具有任意次数误差非线性项的一般二阶系统,设计有限时间观测器观测速度信息,根据是否考虑干扰分别分析观测误差系统的稳定性。针对一类具有任意次数非线性项的一般二阶系统,设计了有限时间输出反馈滤波控制器,根据是否考虑干扰分别分析二阶系统的稳定性。考虑在轨航天器角速度测量装置故障,或出于成本考虑未来小航天器上不安装角速度测量装置等情况,研究了无需角速度信息的有限时间姿态控制问题。设计了有限时间角速度观测器及有限时间输出反馈姿态控制器,根据是否考虑干扰,分别分析了观测误差系统及整体闭环控制系统的稳定性。此外还设计了有限时间输出反馈姿态滤波控制器,同样根据是否考虑干扰,分别分析了姿态系统的稳定性。研究固定时间状态反馈控制。固定时间控制是一种特殊的有限时间控制,其收敛时间上界与初值无关。针对一般二阶系统,分别研究非奇异终端滑模固定时间控制器的设计问题和加幂积分固定时间控制器的设计问题,并根据是否考虑干扰分析了系统的稳定性。然后针对航天器姿态稳定问题,分别设计了终端滑模固定时间姿态控制器,和加幂积分固定时间姿态控制器,并根据是否考虑干扰分析了姿态系统的稳定性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V448.2
【部分图文】：

第 3 章 二阶系统的有限时间状态反馈控制控制器和加幂积分控制器的仿真结果最好，其消耗更少的能量实现更快的航天器姿态稳定速度。表 3-1 四个控制器的性能Table 3-1 The comparison of the four controllersHC AAIPC CNTSMC PDCq ( t)收敛到45 10 的时间(s) 10 12 11 19ω ( t)收敛到45 10 rad/s 的时间(s)11 12 13 15最大输出量(Nm) 0.4 0.4 0.4 0.4时间 60s 内消耗的能量 (2 2N m s ) 0.51 0.5 0.63 0.79

图 3-4 四个控制器作用下角速度 ω ( t)的响应曲线Fig. 3-4 Time responses of angular velocity ω ( t)under four controllersTime (s) Time (s)(a) HC (b) AAPICTime (s) Time (s)(c) CNTSMC (d) PDC图 3-5 四个控制器对应的控制力矩Fig. 3-5 Torques of the four controllers

Time (s) Time (s)(a) HC (b) AAPICTime (s) Time (s)(c) CNTSMC (d) PDC图 3-4 四个控制器作用下角速度 ω ( t)的响应曲线Fig. 3-4 Time responses of angular velocity ω ( t)under four controllers
【参考文献】

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6 张运喜;孙明玮;陈增强;;滑模变结构有限时间收敛制导律[J];控制理论与应用;2012年11期

7 高岱;吕建婷;王本利;;航天器有限时间输出反馈姿态控制[J];航空学报;2012年11期

8 吴宏鑫;谈树萍;;航天器控制的现状与未来[J];空间控制技术与应用;2012年05期

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10 沈艳军;刘万海;张勇;;一类非线性系统全局有限时间观测器设计[J];控制理论与应用;2010年05期

本文编号：2892506