航天器軌道交會(huì)魯棒和最優(yōu)控制設(shè)計(jì).pdf

1、航天器軌道交會(huì)一直是航天工程中的重要問(wèn)題，成功的交會(huì)是完成許多飛行任務(wù)的前提，比如，探測(cè)、維修、救援、對(duì)接、大范圍結(jié)構(gòu)集裝以及編隊(duì)飛行。然而，按照現(xiàn)有控制理論所設(shè)計(jì)的控制器在應(yīng)用于航天器軌道交會(huì)時(shí)卻往往達(dá)不到期望的控制效果，有時(shí)甚至連穩(wěn)定性都不能保證。究其原因，一方面是因?yàn)閿?shù)學(xué)模型與實(shí)際物理模型之間存在偏差，系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量存在誤差等不同因素，導(dǎo)致系統(tǒng)具有一定程度的不確定性；另一方面的原因是在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有充分考慮實(shí)際物理執(zhí)行器件的測(cè)

2、量誤差，使得按照理論計(jì)算的控制信號(hào)施加在控制對(duì)象上有時(shí)不準(zhǔn)確，有時(shí)魯棒性差。基于這兩方面的原因，本論文將運(yùn)用不同的控制設(shè)計(jì)方法解決航天器軌道交會(huì)中存在的系統(tǒng)和控制器的不確定性、系統(tǒng)受到外界干擾、控制輸入有界、航天器碰撞避免和燃料優(yōu)化等一系列實(shí)際問(wèn)題。具體說(shuō)來(lái)，主要有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
　　第1章對(duì)本課題相關(guān)研究背景、航天器軌道交會(huì)發(fā)展?fàn)顩r和現(xiàn)有理論結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，給出了本論文的結(jié)構(gòu)安排和內(nèi)容簡(jiǎn)介。
　　第2

3、章基于C-W方程，考慮系統(tǒng)不確定性及其控制器擾動(dòng)，提出了航天器軌道交會(huì)的魯棒非脆弱保成本控制問(wèn)題。運(yùn)用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論和線(xiàn)性矩陣不等式方法，獲得了有控制約束的航天器軌道交會(huì)魯棒非脆弱保成本控制存在的充分條件，這個(gè)充分條件以線(xiàn)性矩陣不等式的形式給出。將控制約束上界作為優(yōu)化指標(biāo)，形成了有線(xiàn)性不等式約束的凸優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)求解這個(gè)有約束的凸優(yōu)化問(wèn)題，可獲得系統(tǒng)魯棒非脆弱保成本最優(yōu)控制器。運(yùn)用這個(gè)最優(yōu)控制器，航天器軌道交會(huì)任務(wù)在較小推力下就能

4、順利完成。數(shù)值例子仿真驗(yàn)證了所提出控制器設(shè)計(jì)方法的有效性。
　　第3章在C-W方程框架下，考慮系統(tǒng)不確定性、控制器擾動(dòng)、外部干擾以及控制約束，提出了航天器軌道交會(huì)魯棒非脆弱H∞控制設(shè)計(jì)多目標(biāo)問(wèn)題。運(yùn)用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論和線(xiàn)性矩陣不等式方法，獲得了航天器軌道交會(huì)魯棒非脆弱H∞控制存在的充分條件，這個(gè)充分條件以線(xiàn)性矩陣不等式的形式給出。將H∞性能指標(biāo)作為優(yōu)化指標(biāo)，可獲得有線(xiàn)性矩陣不等式約束的凸優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)求解這個(gè)有約束的凸優(yōu)化問(wèn)題

5、，可獲得一個(gè)魯棒非脆弱H∞最優(yōu)控制器。運(yùn)用這個(gè)控制器，航天器軌道交會(huì)任務(wù)在外界干擾下可以順利完成。本章中所提出控制器設(shè)計(jì)方法的有效性通過(guò)數(shù)值例子仿真得到了驗(yàn)證。
　　在第2章和第3章內(nèi)容的基礎(chǔ)上，本文在第4章進(jìn)一步研究了關(guān)于C-W方程的魯棒非脆弱H∞保成本控制問(wèn)題?；诶顏喥罩Z夫穩(wěn)定性理論和線(xiàn)性矩陣不等式方法，獲得系統(tǒng)魯棒非脆弱H∞保成本控制器存在的充分條件，這個(gè)充分條件以線(xiàn)性矩陣不等式的形式給出。將控制輸入上界和H∞性能指標(biāo)相結(jié)

6、合形成一個(gè)混合優(yōu)化指標(biāo)，就獲得了線(xiàn)性不等式約束的凸優(yōu)化控制問(wèn)題。設(shè)置適當(dāng)?shù)募訖?quán)參數(shù)，并求解這個(gè)有約束的凸優(yōu)化問(wèn)題，可獲得一個(gè)魯棒非脆弱H∞保成本最優(yōu)控制器。用這個(gè)所獲得的最優(yōu)控制器，航天器軌道交會(huì)任務(wù)在外界干擾下運(yùn)用較小推力就可以順利完成。為了說(shuō)明本章控制器設(shè)計(jì)方法的有效性，提供數(shù)值例子進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。
　　第5章基于T-H方程研究了有約束的航天器軌道交會(huì)燃料最優(yōu)控制問(wèn)題。首先，基于新的航天器軌道交會(huì)模型，形成了控制約束和無(wú)碰撞約

7、束的最優(yōu)控制問(wèn)題。將控制參數(shù)化方法和時(shí)間尺度變換技巧相結(jié)合，有約束的最優(yōu)控制問(wèn)題可以近似為一系列有約束的參數(shù)選擇優(yōu)化問(wèn)題。每個(gè)有約束的參數(shù)選擇優(yōu)化問(wèn)題都可以看作一個(gè)有約束的優(yōu)化控制問(wèn)題。然后，運(yùn)用精確懲罰函數(shù)方法將有約束的最優(yōu)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一系列無(wú)約束的最優(yōu)控制問(wèn)題，并進(jìn)一步證明，當(dāng)罰參數(shù)足夠大時(shí)，這些近似的無(wú)約束優(yōu)化控制問(wèn)題的局部最優(yōu)解收斂于原問(wèn)題的局部最優(yōu)解。最后，通過(guò)數(shù)值仿真說(shuō)明所提出控制器設(shè)計(jì)方法是有效的。
　　第6章針對(duì)

8、T-H方程，提出了航天器軌道交會(huì)的H∞控制問(wèn)題?；谥芷跍?zhǔn)黎卡提矩陣微分方程參數(shù)化方法，獲得了航天器軌道交會(huì)魯棒H∞控制器存在的充分條件，這個(gè)充分條件以周期準(zhǔn)黎卡提矩陣微分方程的形式給出。運(yùn)用快速多射數(shù)值算法求出周期黎卡提矩陣微分方程的解作為初值，進(jìn)一步運(yùn)用數(shù)值算法求解周期準(zhǔn)黎卡提矩陣微分方程，從而獲得系統(tǒng)的一個(gè)近似H∞最優(yōu)控制器。用這個(gè)所獲得的最優(yōu)控制器，航天器交會(huì)任務(wù)在外界干擾下能順利完成。最后，提供了數(shù)值例子說(shuō)明本章所提出的控制器