航天器編隊飛行分布式協(xié)同控制方法研究.pdf

1、近年來,越來越多的航天研究機(jī)構(gòu)針對多個航天器編隊飛行的空間任務(wù)展開研究。隨著一致性算法在一階和二階線性積分動力學(xué)系統(tǒng)的分布式控制中的應(yīng)用研究越來越成熟,如何將一致性算法應(yīng)用到航天器編隊系統(tǒng)的協(xié)同控制中,引起國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注。本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，對航天器編隊飛行的姿態(tài)及相對位置協(xié)同控制進(jìn)行研究。論文主要內(nèi)容如下:
　　針對多個航天器編隊飛行的姿態(tài)協(xié)同控制問題展開研究,基于無向通信拓?fù)?根據(jù)一致性算法的思想,引入相互通

2、信的航天器姿態(tài)及角速度信息設(shè)計姿態(tài)協(xié)同跟蹤控制策略。并將此控制策略擴(kuò)展到含時變權(quán)值協(xié)同控制系數(shù)、利用滑模估計器獲得期望信息、面向有向通信拓?fù)涞那闆r下,通過設(shè)計一系列控制算法來提高編隊系統(tǒng)中航天器間相對姿態(tài)誤差的控制精度及動態(tài)性能,減輕對地面站或主航天器的通信依賴。并通過設(shè)計控制策略使得編隊航天器可在有限時間內(nèi)快速協(xié)同收斂于期望姿態(tài),以及克服航天器物理參數(shù)的不確定性及外干擾力矩的影響。通過仿真驗(yàn)證了相比于傳統(tǒng)主從結(jié)構(gòu)的航天器集中式控制,上

3、述分布式控制策略能夠更好地解決多個航天器的姿態(tài)協(xié)同問題,具有較好的魯棒性。
　　考慮到相互通信的航天器間存在不可避免的信息傳遞時間延遲現(xiàn)象,通過選取合適的Lyapunov函數(shù),建立了面向通信時滯的變結(jié)構(gòu)姿態(tài)協(xié)同跟蹤控制策略,并找到不依賴時滯信息的穩(wěn)定性條件。進(jìn)一步,給出保證外干擾力矩對系統(tǒng)輸出的影響滿足L2增益性能指標(biāo)的控制參數(shù)選取范圍。另外,將此控制策略擴(kuò)展到有向通信拓?fù)錀l件下,并考慮航天器間協(xié)同控制項(xiàng)的輸入時滯,進(jìn)而找到依賴時

4、滯信息的穩(wěn)定性條件,降低了對控制參數(shù)要求的保守性。最后,通過引入含通信時滯的滑模濾波器的狀態(tài)信息來降低地面站或主航天器的通信壓力。通過仿真驗(yàn)證了上述兩種含時滯信息控制策略的可行性。
　　考慮當(dāng)航天器采用無角速度敏感器配置方案時,僅利用航天器絕對姿態(tài)及航天器間相對姿態(tài)信息設(shè)計輸出反饋?zhàn)藨B(tài)協(xié)同控制算法,并通過引入含積分項(xiàng)的濾波器達(dá)到抑制常值外干擾力矩的作用,同時給出期望姿態(tài)信息僅對編隊中部分航天器可知情況下無向通信拓?fù)湫铦M足的條件。在

5、上述面向通信時滯的姿態(tài)協(xié)同控制策略基礎(chǔ)上設(shè)計無需角速度信息的姿態(tài)協(xié)同跟蹤控制算法,同樣將結(jié)果擴(kuò)展到存在協(xié)同控制項(xiàng)輸入時滯的情況下,并分別給出獨(dú)立及依賴時滯信息的控制參數(shù)選取范圍。仿真結(jié)果表明在無需航天器角速度測量的基礎(chǔ)上，輸出反饋分布式控制策略仍然能夠使得多個編隊航天器協(xié)同跟蹤動態(tài)期望目標(biāo),并具有較好的控制精度。
　　考慮到航天器的相對位置對姿態(tài)控制的影響,基于在主航天器軌道系中建立的從屬航天器相對位置動力學(xué)方程給出分布式控制策略