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航天器编队飞行分布式协同控制方法研究

作　者: 周稼康
导　师: 马广富
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 航天器编队分布式控制协同控制一致性算法通信时滞
分类号: V448.2
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来，越来越多的航天研究机构针对多个航天器编队飞行的空间任务展开研究。随着一致性算法在一阶和二阶线性积分动力学系统的分布式控制中的应用研究越来越成熟，如何将一致性算法应用到航天器编队系统的协同控制中，引起国内外专家学者的关注。本文在总结已有研究成果的基础上，对航天器编队飞行的姿态及相对位置协同控制进行研究。论文主要内容如下：针对多个航天器编队飞行的姿态协同控制问题展开研究，基于无向通信拓扑，根据一致性算法的思想，引入相互通信的航天器姿态及角速度信息设计姿态协同跟踪控制策略。并将此控制策略扩展到含时变权值协同控制系数、利用滑模估计器获得期望信息、面向有向通信拓扑的情况下，通过设计一系列控制算法来提高编队系统中航天器间相对姿态误差的控制精度及动态性能，减轻对地面站或主航天器的通信依赖。并通过设计控制策略使得编队航天器可在有限时间内快速协同收敛于期望姿态，以及克服航天器物理参数的不确定性及外干扰力矩的影响。通过仿真验证了相比于传统主从结构的航天器集中式控制，上述分布式控制策略能够更好地解决多个航天器的姿态协同问题，具有较好的鲁棒性。考虑到相互通信的航天器间存在不可避免的信息传递时间延迟现象，通过选取合适的Lyapunov函数，建立了面向通信时滞的变结构姿态协同跟踪控制策略，并找到不依赖时滞信息的稳定性条件。进一步，给出保证外干扰力矩对系统输出的影响满足L2增益性能指标的控制参数选取范围。另外，将此控制策略扩展到有向通信拓扑条件下，并考虑航天器间协同控制项的输入时滞，进而找到依赖时滞信息的稳定性条件，降低了对控制参数要求的保守性。最后，通过引入含通信时滞的滑模滤波器的状态信息来降低地面站或主航天器的通信压力。通过仿真验证了上述两种含时滞信息控制策略的可行性。考虑当航天器采用无角速度敏感器配置方案时，仅利用航天器绝对姿态及航天器间相对姿态信息设计输出反馈姿态协同控制算法，并通过引入含积分项的滤波器达到抑制常值外干扰力矩的作用，同时给出期望姿态信息仅对编队中部分航天器可知情况下无向通信拓扑需满足的条件。在上述面向通信时滞的姿态协同控制策略基础上设计无需角速度信息的姿态协同跟踪控制算法，同样将结果扩展到存在协同控制项输入时滞的情况下，并分别给出独立及依赖时滞信息的控制参数选取范围。仿真结果表明在无需航天器角速度测量的基础上，输出反馈分布式控制策略仍然能够使得多个编队航天器协同跟踪动态期望目标，并具有较好的控制精度。考虑到航天器的相对位置对姿态控制的影响，基于在主航天器轨道系中建立的从属航天器相对位置动力学方程给出分布式控制策略，并在有向通信拓扑条件下进行稳定性分析。根据具体通信测量任务的要求，给出一种利用航天器间的相对位置确定期望姿态与角速度的方法。类似于面向通信时滞的航天器姿态协同控制问题，在航天器速度信息不可测量情况下，设计了含时变通信时滞的自适应分布式控制策略。并通过仿真验证了上述控制策略对航天器相对位置控制的有效性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
第1章绪论  13-28
  1.1 课题背景及意义  13-14
  1.2 国内外研究现状及分析  14-25
    1.2.1 航天器编队任务发展现状  14-17
    1.2.2 一致性算法的研究现状  17-21
    1.2.3 航天器编队飞行协同控制研究现状  21-25
  1.3 本文的主要研究内容  25-28
第2章航天器编队分布式姿态协同控制  28-71
  2.1 引言  28-29
  2.2 航天器姿态运动学及动力学模型  29-31
  2.3 图论基础知识  31-32
  2.4 基于无向通信拓扑的姿态协同控制器设计  32-43
    2.4.1 有界扰动下姿态协同跟踪控制器设计  32-35
    2.4.2 变权系数姿态协同跟踪控制器设计  35-39
    2.4.3 期望值局部可知的姿态协同跟踪控制器设计  39-43
  2.5 基于有向通信拓扑的姿态协同跟踪自适应控制器设计  43-47
  2.6 面向有限时间的姿态协同控制器设计  47-52
  2.7 航天器编队姿态协同自适应控制算法数值仿真  52-70
    2.7.1 基于无向通信拓扑的姿态协同控制的仿真验证  53-63
    2.7.2 基于有向通信拓扑的姿态协同自适应控制的仿真验证  63-67
    2.7.3 面向有限时间的姿态协同控制的仿真验证  67-70
  2.8 本章小结  70-71
第3章含通信时滞的航天器编队姿态协同控制  71-91
  3.1 引言  71-72
  3.2 含时变通信时滞的姿态协同自适应L2增益控制器设计  72-79
    3.2.1 含时变通信时滞的姿态协同跟踪自适应控制器设计  73-77
    3.2.2 L2增益姿态协同控制器设计  77-79
  3.3 基于有向通信拓扑的姿态协同跟踪控制器设计  79-83
  3.4 含通信时滞的航天器编队姿态协同控制数值仿真  83-90
    3.4.1 含时变通信时滞的姿态协同自适应L2增益控制仿真验证  84-87
    3.4.2 基于有向通信拓扑的航天器姿态协同控制仿真验证  87-90
  3.5 本章小结  90-91
第4章无需角速度信息的航天器编队姿态协同控制  91-123
  4.1 引言  91-92
  4.2 无需角速度信息的姿态协同控制器设计  92-98
  4.3 含通信时滞的输出反馈姿态协同跟踪控制器设计  98-110
    4.3.1 不依赖时滞信息的输出反馈姿态协同跟踪控制器设计  98-104
    4.3.2 依赖时滞信息的输出反馈姿态协同跟踪控制器设计  104-110
  4.4 无需角速度信息的航天器编队姿态协同控制数值仿真  110-122
    4.4.1 无需角速度信息的姿态协同跟踪控制数值仿真  110-118
    4.4.2 考虑通信时滞的姿态协同输出反馈控制数值仿真  118-122
  4.5 本章小结  122-123
第5章航天器编队分布式相对位置协同控制  123-142
  5.1 引言  123
  5.2 航天器轨道动力学模型  123-124
  5.3 基于一致性算法的相对位置协同跟踪控制器设计  124-129
  5.4 含通信时滞的相对位置输出反馈协同跟踪控制器设计  129-133
  5.5 航天器编队相对位置协同控制数值仿真  133-141
    5.5.1 基于一致性算法的相对位置协同控制仿真验证  133-137
    5.5.2 考虑通信时滞的相对位置协同控制仿真验证  137-141
  5.6 本章小结  141-142
结论  142-144
参考文献  144-159
攻读博士学位期间发表的论文  159-161
致谢  161-162
个人简历  162-163

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