控制冗余下细胞卫星群微分博弈控制研究
发布时间：2021-07-03 15:40
随着太空航天系统体积愈加庞大、功能愈加复杂,将航天器以未组装模块的形式运输至太空中,进行在轨装配成为了未来航天任务的重要组成部分。本文研究了多个固定在子结构上的细胞卫星,使它们协同调整子结构姿态,完成在轨组装等服务任务。与细胞卫星组合后的航天器是一种多冗余执行机构,具有多个自由度和较高的可靠性。为了使各个细胞卫星能够协调控制,以达到所需任务的姿态,并且具有很好地容错性,本论文将该问题转化为一个微分博弈问题,把细胞卫星看做成多个参与者,得到每个细胞卫星的控制策略。并在此基础上进行研究。主要的内容如下:首先,基于线性化的组合航天器姿态动力学系统进行开环有限时间Nash策略设计。将航天器细胞卫星间的控制协调分配问题转化为一个多个参与者的微分博弈问题。然后,通过设定每个模块各自独立的优化性能指标,研究出各个细胞卫星的最优决策控制方法,从而得出各个模块自身的开环控制策略。然后,将细胞卫星姿态跟踪误差系统模型转化为SDC模型形式。基于此模型,设计相关的微分博弈性能指标要求,得到细胞卫星系统闭环反馈中的微分博弈Nash策略,并通过解耦合Riccati代数方程来逼近微卫星的纳什均衡策略。另外,为了减少...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“Phoenix计划”第一个试验航天器eXCITe
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图1-2“iBOSS计划”的模块化服务卫星年在控制领域得到众多学者的广泛研究，主要方法包括群组法[20]，伪逆法[21]，链式递增法[22]，直接分配法[23]和数学规划方法[24]等。这些方法都可以将指令力矩形成控制指令以达到所需的角动量或加速度。在控制分配方法研究的初期，很多工作都集中在控制分配算法上，Buffington等人[25]指出在控制分配过程中产生的误差，可能会引起系统的不稳定性。因而，Ola等[26]中指出将控制分配问题转化为最优控制问题，只要能够将解吸纳到最优集，那么系统就是稳定的。航天任务中，常见的分配优化目标有：能耗最优，负载均衡，奇异规避等。Blenden等[27]给出了一种以二范数表征能耗的最优分配方法。为避免单个推力器长时间输出而过早结束寿命，张世杰等[28]提出了负载均衡的控制分配方法，提高了整个系统的寿命。在控制过程中，由于模型的不确定性以及环境存在着各种干扰，因而，JianzhongQIAO等[29]提出了一种基于干扰观测器和闭环控制分配法相结合的控制方案。另外，考虑到执行机构细胞星模块安装的反作用飞轮有可能发生故障，执行机构不能准确地执行控制指令，控制性能可能下降。Bustan等[30]提出了一种基于可变结构控制的自适应容错姿态控制器，以解决存在未知致动器故障。QingleiHu等[31]中将容错控制器与控制分配系统直接相连，控制力矩直接分配给执行机构。然而，当控制力/力矩超过执行机构输出能力时，分配可能不会被精确执行。为了解决这个问题，WenjieDuan等[32]针对输入饱和等引起的故障，提出了一种集成滑模容错控制方法。在自变构卫星控制分配过程中，由于执行机构数量较多，将会导致原本很小的误差成倍增加，因此ShenQiang等[33]给出了一种鲁棒控制分配律，旨在减小设计力矩和
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文扰的多智能体系统的事件触发分布式预测控制问题。与此同时，事件驱动控制模式也为学者们改进微分博弈对策提供了新的思路。Mu等[57]利用零和对策解决了传统的鲁棒问题，并提出了一种排除zeno行为的自适应事件触发条件。Zhu等[58]基于最优策略，设计了非线性约束输入连续时间系统的事件触发控制，分别采用辨识网络、批判网络和行动者网络来逼近未知漂移动态、最优值和最优策略。另外，基于事件触发机制的细胞控制目前具有重要的应用和理论研究价值，也有一些文章针对此问题进行了相应的研究。田家旭[59]采用事件触发控制机制，对于角速度信息可用的情况，利用预设的收敛边界构造了两种新的函数并设计了自适应滑模控制律，研究了细胞卫星航天器姿态控制方法。1.3本文主要研究内容本文主要的研究内容是，基于细胞卫星在轨服务的背景下，研究相应的控制策略，使得各个细胞卫星能够协调控制，以达到所需任务的姿态，并且能够具有很好地容错性成为当下研究的热点问题。本文一共包含五个章节：第一章为绪论；第二章为论文中需要用到的航天器系统模型和一些基础理论；第三章为开环有限时间微分博弈策略；第四章为星间通信受限下的容错闭环微分博弈策略。第五章为基于神经网络观测器的事件触发微分博弈策略。各个章节的具体内容如图1-3所示，包含了以下章节：图1-3论文章节结构图第一章是绪论部分。该章节首先介绍了控制冗余下的细胞卫星在轨协同工作的研究背景与意义。然后，介绍了细胞卫星、多冗余卫星系统姿态协调控制方法、微分博弈控制方法以及基于事件驱动的卫星控制的研究现状和主要的方法，详细地分析了目前存在的不足以及研究的热点，最后得出了本论文主要研究的内容。-7-
【参考文献】：
期刊论文
[1]失效航天器姿态接管的SDRE微分博弈控制[J]. 柴源,罗建军,韩楠,谢剑锋. 宇航学报. 2020(02)
[2]Event-triggered adaptive control for attitude tracking of spacecraft[J]. Chenliang WANG,Yun LI,Qinglei HU,Jian HUANG. Chinese Journal of Aeronautics. 2019(02)
[3]Anti-disturbance attitude control of combined spacecraft with enhanced control allocation scheme[J]. Jianzhong QIAO,Zhibing LIU,Wenshuo LI. Chinese Journal of Aeronautics. 2018(08)
[4]NovaWurks公司积极推进“细胞星”概念研发[J]. 冯云皓. 防务视点. 2016(11)
[5]面向在轨服务的可重构细胞卫星关键技术与展望[J]. 黄攀峰,常海涛,鹿振宇,王明. 宇航学报. 2016(01)
[6]细胞卫星体系的关键技术及启示[J]. 杨南基,黄献龙,王玉峰,张朴真. 航天器环境工程. 2015(04)
[7]考虑负载均衡的过驱动航天器推力器分配方法[J]. 张世杰,段晨阳,赵亚飞. 宇航学报. 2015(07)
[8]模块化航天器应用需求及应用体系[J]. 李新洪,张永乐,姜南. 装备学院学报. 2014(04)
硕士论文
[1]基于细胞卫星的航天器姿态接管控制方法研究[D]. 田嘉旭.哈尔滨工业大学 2019
[2]不确定性系统的微分对策求解及其在飞行器控制中的应用[D]. 刘念.南京航空航天大学 2017
本文编号：3262868
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“Phoenix计划”第一个试验航天器eXCITe
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图1-2“iBOSS计划”的模块化服务卫星年在控制领域得到众多学者的广泛研究，主要方法包括群组法[20]，伪逆法[21]，链式递增法[22]，直接分配法[23]和数学规划方法[24]等。这些方法都可以将指令力矩形成控制指令以达到所需的角动量或加速度。在控制分配方法研究的初期，很多工作都集中在控制分配算法上，Buffington等人[25]指出在控制分配过程中产生的误差，可能会引起系统的不稳定性。因而，Ola等[26]中指出将控制分配问题转化为最优控制问题，只要能够将解吸纳到最优集，那么系统就是稳定的。航天任务中，常见的分配优化目标有：能耗最优，负载均衡，奇异规避等。Blenden等[27]给出了一种以二范数表征能耗的最优分配方法。为避免单个推力器长时间输出而过早结束寿命，张世杰等[28]提出了负载均衡的控制分配方法，提高了整个系统的寿命。在控制过程中，由于模型的不确定性以及环境存在着各种干扰，因而，JianzhongQIAO等[29]提出了一种基于干扰观测器和闭环控制分配法相结合的控制方案。另外，考虑到执行机构细胞星模块安装的反作用飞轮有可能发生故障，执行机构不能准确地执行控制指令，控制性能可能下降。Bustan等[30]提出了一种基于可变结构控制的自适应容错姿态控制器，以解决存在未知致动器故障。QingleiHu等[31]中将容错控制器与控制分配系统直接相连，控制力矩直接分配给执行机构。然而，当控制力/力矩超过执行机构输出能力时，分配可能不会被精确执行。为了解决这个问题，WenjieDuan等[32]针对输入饱和等引起的故障，提出了一种集成滑模容错控制方法。在自变构卫星控制分配过程中，由于执行机构数量较多，将会导致原本很小的误差成倍增加，因此ShenQiang等[33]给出了一种鲁棒控制分配律，旨在减小设计力矩和
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文扰的多智能体系统的事件触发分布式预测控制问题。与此同时，事件驱动控制模式也为学者们改进微分博弈对策提供了新的思路。Mu等[57]利用零和对策解决了传统的鲁棒问题，并提出了一种排除zeno行为的自适应事件触发条件。Zhu等[58]基于最优策略，设计了非线性约束输入连续时间系统的事件触发控制，分别采用辨识网络、批判网络和行动者网络来逼近未知漂移动态、最优值和最优策略。另外，基于事件触发机制的细胞控制目前具有重要的应用和理论研究价值，也有一些文章针对此问题进行了相应的研究。田家旭[59]采用事件触发控制机制，对于角速度信息可用的情况，利用预设的收敛边界构造了两种新的函数并设计了自适应滑模控制律，研究了细胞卫星航天器姿态控制方法。1.3本文主要研究内容本文主要的研究内容是，基于细胞卫星在轨服务的背景下，研究相应的控制策略，使得各个细胞卫星能够协调控制，以达到所需任务的姿态，并且能够具有很好地容错性成为当下研究的热点问题。本文一共包含五个章节：第一章为绪论；第二章为论文中需要用到的航天器系统模型和一些基础理论；第三章为开环有限时间微分博弈策略；第四章为星间通信受限下的容错闭环微分博弈策略。第五章为基于神经网络观测器的事件触发微分博弈策略。各个章节的具体内容如图1-3所示，包含了以下章节：图1-3论文章节结构图第一章是绪论部分。该章节首先介绍了控制冗余下的细胞卫星在轨协同工作的研究背景与意义。然后，介绍了细胞卫星、多冗余卫星系统姿态协调控制方法、微分博弈控制方法以及基于事件驱动的卫星控制的研究现状和主要的方法，详细地分析了目前存在的不足以及研究的热点，最后得出了本论文主要研究的内容。-7-
【参考文献】：
期刊论文
[1]失效航天器姿态接管的SDRE微分博弈控制[J]. 柴源,罗建军,韩楠,谢剑锋. 宇航学报. 2020(02)
[2]Event-triggered adaptive control for attitude tracking of spacecraft[J]. Chenliang WANG,Yun LI,Qinglei HU,Jian HUANG. Chinese Journal of Aeronautics. 2019(02)
[3]Anti-disturbance attitude control of combined spacecraft with enhanced control allocation scheme[J]. Jianzhong QIAO,Zhibing LIU,Wenshuo LI. Chinese Journal of Aeronautics. 2018(08)
[4]NovaWurks公司积极推进“细胞星”概念研发[J]. 冯云皓. 防务视点. 2016(11)
[5]面向在轨服务的可重构细胞卫星关键技术与展望[J]. 黄攀峰,常海涛,鹿振宇,王明. 宇航学报. 2016(01)
[6]细胞卫星体系的关键技术及启示[J]. 杨南基,黄献龙,王玉峰,张朴真. 航天器环境工程. 2015(04)
[7]考虑负载均衡的过驱动航天器推力器分配方法[J]. 张世杰,段晨阳,赵亚飞. 宇航学报. 2015(07)
[8]模块化航天器应用需求及应用体系[J]. 李新洪,张永乐,姜南. 装备学院学报. 2014(04)
硕士论文
[1]基于细胞卫星的航天器姿态接管控制方法研究[D]. 田嘉旭.哈尔滨工业大学 2019
[2]不确定性系统的微分对策求解及其在飞行器控制中的应用[D]. 刘念.南京航空航天大学 2017
本文编号：3262868
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