通讯受限条件下航天器编队姿态协同控制方法研究

发布时间：2017-08-24 17:17

  本文关键词：通讯受限条件下航天器编队姿态协同控制方法研究

  更多相关文章： 航天器编队飞行 姿态控制 滑模控制 通讯延迟 通讯受限 自适应控制

【摘要】：航天器编队的姿态协同控制是应用于航天器编队飞行中的一项重要技术,得到了国内外众多学者的关注。由于在轨航天器受到模型不确定性、外部扰动和执行器部分失效等因素的影响,设计具有较强鲁棒性的姿态协同控制器是很有现实意义的。由于航天器间的信息交互受到编队构型等诸多因素的限制,在设计姿态协同控制器时必须考虑通讯受限的情况。因此,本文以航天器编队姿态协同控制为研究背景,分别考虑通讯时延和仅部分成员航天器可与领航航天器进行信息交互的通讯限制,应用滑模控制进行了控制器设计。首先,在每个成员航天器都可以获得领航航天器姿态信息的情况下,分析航天器间的相对姿态动力学模型,确定航天器间信息交流的拓扑结构。通过设计积分型滑模面及PI控制器将模型中存在的不确定性、外部扰动和执行器部分失效等因素消除,得到无扰动的标称系统。然后以标称系统为参考,在不存在通讯延迟的情况下,利用Lyapunov方法设计了带有时变参数的控制器。控制器通过对系统状态量的实时测量来调整控制器参数,在降低成员航天器间相对姿态误差的同时保证系统的渐进稳定性。在存在通讯延迟的情况下,利用姿态四元数与姿态角速度构造附加变量并设计自适应控制器,保证成员航天器系统状态的渐进稳定性。通过数值仿真,验证了上述两种控制器作用下系统的稳定性;并分析了控制器中参数对控制效果的影响。在只有部分成员航天器可以获得领航航天器姿态信息的情况下,本文首先基于一致性理论给出了有限时间稳定的滑模观测器。利用观测器有限时间稳定的性质,可以分别设计观测器与控制器。然后通过已有的系统状态量,给出了一种滑模变量,并证明了滑模变量位于滑模面上时,系统的渐进稳定性。接下来利用范数理论分析了滑模变量中参数的性质,并通过单位向量法设计了一种控制器。由于此控制器具有较强的抖振现象,且只能保证滑模变量稳定到滑模面附近的一个邻域内;本文又设计了带有自适应参数的Super-Twisting控制器,并利用二阶系统的特点证明了系统的渐进稳定性。最后,通过数值仿真,对观测器与两种控制器的进行了验证。
【关键词】：航天器编队飞行 姿态控制 滑模控制 通讯延迟 通讯受限 自适应控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 主要符号表9-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 研究背景与研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-18
• 1.2.1 航天器编队研究现状11-15
• 1.2.2 航天器编队姿态控制技术研究现状15-17
• 1.2.3 滑模控制方法综述17-18
• 1.3 研究内容与章节安排18-21
• 第2章 基本理论与系统模型21-28
• 2.1 坐标系定义21-22
• 2.2 动力学模型22-25
• 2.2.1 姿态的四元数描述22-23
• 2.2.2 动力学、运动学方程23-25
• 2.3 拓扑结构25-26
• 2.4 滑模控制基本原理26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第3章 通讯时延条件下的航天器编队姿态协同控制28-50
• 3.1 系统模型28-29
• 3.2 积分型滑模控制器设计29-32
• 3.3 标称控制系统设计32-39
• 3.3.1 无通讯时延情况下的标称控制系统设计32-37
• 3.3.2 有通讯时延情况下的标称控制系统设计37-39
• 3.4 数值仿真验证39-49
• 3.4.1 无通讯时延情况41-47
• 3.4.2 有通讯时延情况47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 基于有限时间姿态角估计的编队协同控制50-69
• 4.1 系统模型50-51
• 4.2 滑模观测器设计51-53
• 4.3 控制器设计53-59
• 4.3.1 滑模面设计53-55
• 4.3.2 基于单位向量法的滑模控制器设计55-57
• 4.3.3 基于Super-Twisting的滑模控制器设计57-59
• 4.4 数值仿真验证59-68
• 4.4.1 基于单位向量法的控制器61-64
• 4.4.2 基于Super-Twisting的控制器64-68
• 4.5 本章小结68-69
• 结论69-71
• 参考文献71-77
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果77-79
• 致谢79

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本文编号：732541