多航天器系统有限时间姿态同步控制设计

发布时间：2017-09-09 12:00

  本文关键词：多航天器系统有限时间姿态同步控制设计

  更多相关文章： 多航天器系统 姿态同步 姿态协同控制 有限时间控制 终端滑模 自适应控制 容错控制

【摘要】：姿态同步控制是多航天器系统编队飞行的重要研究内容,其在合成孔径成像和空基合成孔径雷达干涉测量等许多实际编队任务中发挥着重要作用,因此在近几十年受到了研究者的广泛关注。航天器系统的动力学模型具有非线性特点,而且受到转动惯量不确定、未知时变扰动和执行器故障等影响,这些都会对多航天器系统的控制精准度、协同能力,乃至稳定性等方面产生负面影响。鉴于航天器结构和航天任务的日益复杂和多样化,多性能指标的控制要求使得传统控制方案不再奏效。基于滑模控制理论和自适应机制,本文将针对不同情形下多航天器系统的有限时间姿态同步开展研究。论文的主要内容概述如下:1.讨论未知时变扰动影响下多航天器系统的有限时间姿态同步控制问题。基于图论理论、自适应机制、基于切换面的非奇异快速终端滑模和有限时间技术,设计了一种基于无向图的分散式有限时间姿态同步控制方案,并给出了严格的稳定性证明。采用由四个航天器组成的多航天器系统进行仿真实验,实验结果验证了算法的正确性和有效性。2.研究通信拓扑为有向图情况下的多航天器有限时间姿态同步问题。首先基于图论理论设计了一类分散式非奇异快速终端滑模面。考虑未知时变扰动的影响,结合自适应控制机制提出了基于有向拓扑的有限时间姿态同步控制方案,该方案不依赖扰动上界先验信息,且能够保证跟踪误差和相对误差在有限时间收敛到零点附近的小区域。最后提供了两个仿真实验对算法可行性和优越性加以验证,并通过比较分析给出了相关设计参数对控制性能影响的一般规律。3.在上述研究基础上,同时考虑转动惯量不确定和未知时变扰动的影响,针对有向通信拓扑环境下的姿态同步问题进行了讨论。基于图论理论、自适应机制和非奇异快速终端滑模控制技术设计了一种分散式有限时间姿态同步控制方案,并给出了姿态跟踪误差有限时间收敛的严格证明和收敛域上界的精确表达式。此方案无需转动惯量不确定和未知时变扰动的确切上界,且能够在有效抑制模型不确定和时变扰动的同时提供更快速更高精度的控制性能。4.考虑转动惯量不确定和未知时变扰动的影响,针对多航天器系统中存在一个虚拟领航者的情形,设计分布式架构模式下的有限时间姿态同步控制方案。假设只有部分跟随者航天器可获悉虚拟领航者信息,跟随者航天器之间的通信拓扑可以是无向图或有向图。首先,利用两个邻居同步误差信号,结合自适应机制,设计了一种有限时间协同控制算法。然后利用跟随者航天器对虚拟领航者的状态估计,提出了不依赖邻居精确状态信息的分布式有限时间协同控制算法。两种控制方案都能保证所有跟随者航天器在有限时间与虚拟领航者达到同步。采用连续的控制设计,所研算法能够有效抑制控制抖振现象,且能提供强鲁棒性、高精度收敛和快速响应的优越性能。5.基于上述结论,进一步研究转动惯量不确定、未知时变扰动和执行器故障影响下的多航天器系统姿态同步控制问题。当跟随者航天器间采用有向通信拓扑时,分别基于邻居同步误差信号和跟随者航天器对虚拟领航者的状态估计,设计了两种分布式有限时间容错控制方案。两种控制策略都能够保证姿态误差和角速度误差的有限时间收敛性。特别地,所研方案无需对执行器故障进行在线辨识,且能够提供容错性、高精度收敛、快速相应、较强鲁棒性和抖振抑制等控制性能。最后,归纳总结了本论文的主要研究成果,并对今后的工作进行了展望。
【关键词】：多航天器系统 姿态同步 姿态协同控制 有限时间控制 终端滑模 自适应控制 容错控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 第1章 绪论19-37
• 1.1 研究背景与意义19-24
• 1.2 主要问题和挑战24-26
• 1.3 多航天器系统姿态同步控制研究现状26-32
• 1.3.1 主从方式27
• 1.3.2 虚拟结构方式27-28
• 1.3.3 行为方式28-29
• 1.3.4 基于一致性29-32
• 1.4 多航天器系统有限时间姿态同步研究现状32-33
• 1.5 本文主要研究内容33-37
• 第2章 预备知识37-47
• 2.1 常用符号与概念37-38
• 2.2 图论理论38-40
• 2.2.1 图的基本概念38-39
• 2.2.2 邻接矩阵和Laplacian矩阵39-40
• 2.3 常用参考坐标系40-41
• 2.4 航天器姿态描述方法41-43
• 2.4.1 Rodrigues参数描述法41-42
• 2.4.2 MRP描述法42
• 2.4.3 四元数描述法42-43
• 2.5 航天器系统数学模型43-44
• 2.5.1 航天器姿态运动学模型43
• 2.5.2 航天器姿态动力学模型43-44
• 2.6 相关稳定性理论、定义及引理44-45
• 2.7 结论45-47
• 第3章 扰动环境下基于无向拓扑的分散式有限时间姿态同步控制47-63
• 3.1 引言47-48
• 3.2 问题描述48-50
• 3.2.1 航天器姿态动力学和运动学模型48-49
• 3.2.2 航天器姿态误差动力学和运动学模型49-50
• 3.3 主要结果50-58
• 3.3.1 基于切换面的分散式非奇异快速终端滑模面设计50-51
• 3.3.2 分散式有限时间姿态同步控制设计51-55
• 3.3.3 修正的分散式有限时间姿态同步控制设计55-58
• 3.4 数值仿真58-62
• 3.5 结论62-63
• 第4章 扰动环境下基于有向拓扑的分散式有限时间姿态同步控制63-85
• 4.1 引言63-64
• 4.2 问题描述64-65
• 4.3 主要结果65-75
• 4.3.1 分散式有限时间姿态同步控制设计66-70
• 4.3.2 修正的分散式有限时间姿态同步控制设计70-75
• 4.4 数值仿真75-82
• 4.4.1 线型通信拓扑76-80
• 4.4.2 环型通信拓扑80-82
• 4.5 结论82-85
• 第5章 转动惯量不确定和未知扰动影响下的分散式有限时间姿态同步控制85-99
• 5.1 引言85-86
• 5.2 问题描述86-87
• 5.3 主要结果87-94
• 5.3.1 分散式有限时间姿态同步控制设计88-91
• 5.3.2 修正的分散式有限时间姿态同步控制设计91-94
• 5.4 数值仿真94-97
• 5.5 结论97-99
• 第6章 分布式有限时间姿态同步控制99-119
• 6.1 引言99-100
• 6.2 问题描述100-102
• 6.3 主要结果102-112
• 6.3.1 基于邻居状态信息的分布式有限时间姿态同步控制设计102-107
• 6.3.2 基于估计器的分布式有限时间姿态同步控制设计107-112
• 6.4 数值仿真112-116
• 6.5 结论116-119
• 第7章 分布式有限时间姿态同步容错控制119-141
• 7.1 引言119-120
• 7.2 问题描述120-121
• 7.3 主要结果121-132
• 7.3.1 基于邻居状态信息的分布式有限时间姿态同步容错控制设计121-127
• 7.3.2 基于估计器的分布式有限时间姿态同步容错控制设计127-132
• 7.4 数值仿真132-139
• 7.4.1 采用控制律(7.19)134-137
• 7.4.2 采用控制律(7.30)137-139
• 7.5 结论139-141
• 第8章 结论与展望141-145
• 8.1 研究工作的总结141-142
• 8.2 研究展望142-145
• 参考文献145-163
• 攻读博士学位期间发表与撰写的学术论文163-167
• 致谢167-169
• 作者简介169

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本文编号：820302