多航天器編隊(duì)飛行分布式協(xié)同控制.pdf

1、國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：V448.2學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：623密級(jí)：公開(kāi)工學(xué)博士學(xué)位論文工學(xué)博士學(xué)位論文多航天器編隊(duì)飛行分布式協(xié)同控制博士研究生：鄭重導(dǎo)師：宋申民教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：控制科學(xué)與工程所在單位：航天學(xué)院答辯日期：2014年9月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要I摘要多航天器編隊(duì)飛行指利用多個(gè)在軌飛行中的航天器組成具有一定編隊(duì)構(gòu)形的系統(tǒng)，航天器之間通過(guò)星間通信相互聯(lián)系、進(jìn)行協(xié)同工作。和傳統(tǒng)單顆航天器相比，它具有靈

2、活性強(qiáng)、可靠性高、成本低等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能完成更復(fù)雜的空間任務(wù)。因此，航天器編隊(duì)飛行在軍事和民用領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。為了保證編隊(duì)飛行任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，有效的協(xié)同控制技術(shù)是關(guān)鍵所在。本論文在總結(jié)現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上，以代數(shù)圖論為工具，綜合利用一致性算法的思想和非線性系統(tǒng)理論，對(duì)多航天器編隊(duì)飛行協(xié)同控制問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分：在無(wú)向通信拓?fù)湎?，基于旋轉(zhuǎn)矩陣的姿態(tài)跟蹤協(xié)同控制模型，研究了多航天器編隊(duì)姿態(tài)跟蹤協(xié)同控制問(wèn)題。首先，

3、在假設(shè)外界擾動(dòng)為零的情況下，采用基于行為方式的控制策略給出了一種“比例微分前饋補(bǔ)償”的姿態(tài)協(xié)同控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)航天器對(duì)期望姿態(tài)和角速度的跟蹤，同時(shí)保證航天器之間的相對(duì)姿態(tài)在一定程度上的保持；進(jìn)一步，通過(guò)姿態(tài)向量測(cè)量的誤差分析，在采用姿態(tài)的向量測(cè)量情況下，提出了對(duì)于外界擾動(dòng)具有魯棒性的姿態(tài)跟蹤協(xié)同控制策略，并且研究了控制器對(duì)于常值通信時(shí)滯的魯棒性。對(duì)于有無(wú)通信時(shí)滯的情況，給出了系統(tǒng)初值需要滿足的吸引區(qū)范圍，以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)協(xié)同跟蹤。在有向通信拓

4、撲下，基于旋轉(zhuǎn)矩陣的姿態(tài)跟蹤協(xié)同控制模型，研究了多航天器編隊(duì)姿態(tài)跟蹤協(xié)同控制方法，解決存在參數(shù)不確定性、外部擾動(dòng)、時(shí)變通信時(shí)滯等情況下的姿態(tài)協(xié)同跟蹤控制問(wèn)題。首先研究了系統(tǒng)不含有參數(shù)不確定性、外部擾動(dòng)和通信時(shí)滯的理想情況，通過(guò)引入包含姿態(tài)跟蹤誤差和角速度跟蹤誤差的輔助中間變量，設(shè)計(jì)了幾乎全局漸近穩(wěn)定的姿態(tài)協(xié)同控制器；對(duì)于系統(tǒng)存在參數(shù)不確定性和外部擾動(dòng)的情況，分別設(shè)計(jì)了自適應(yīng)律估計(jì)未知的航天器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣和擾動(dòng)的上界，并設(shè)計(jì)了自適應(yīng)魯棒協(xié)

5、同控制器；對(duì)于同時(shí)存在參數(shù)不確定性、外部擾動(dòng)和通信時(shí)滯的情況，設(shè)計(jì)了考慮通信時(shí)滯的自適應(yīng)魯棒協(xié)同控制器，并通過(guò)構(gòu)造合理的LyapunovKrasovskii函數(shù)，給出了系統(tǒng)穩(wěn)定所需要滿足的充分條件。所得到的三種控制器均是幾乎全局漸近穩(wěn)定的連續(xù)控制器，即系統(tǒng)初值在一個(gè)測(cè)度為零的集合之外均是漸近穩(wěn)定的，并且只需要通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為強(qiáng)連通的有向圖。當(dāng)航天器無(wú)法獲知外界參考姿態(tài)信號(hào)時(shí)，在航天器通信拓?fù)錇闊o(wú)向樹(shù)的假設(shè)下，提出了僅需要局部相對(duì)信息的多航