多航天器編隊飛行分布式協(xié)同控制.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號：V448.2學校代碼：10213國際圖書分類號：623密級：公開工學博士學位論文工學博士學位論文多航天器編隊飛行分布式協(xié)同控制博士研究生：鄭重導(dǎo)師：宋申民教授申請學位：工學博士學科：控制科學與工程所在單位：航天學院答辯日期：2014年9月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學摘要I摘要多航天器編隊飛行指利用多個在軌飛行中的航天器組成具有一定編隊構(gòu)形的系統(tǒng)，航天器之間通過星間通信相互聯(lián)系、進行協(xié)同工作。和傳統(tǒng)單顆航天器相比，它具有靈

2、活性強、可靠性高、成本低等優(yōu)勢，同時能完成更復(fù)雜的空間任務(wù)。因此，航天器編隊飛行在軍事和民用領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。為了保證編隊飛行任務(wù)的實現(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，對多航天器編隊飛行協(xié)同控制問題進行了深入研究，主要內(nèi)容包括以下幾個部分：在無向通信拓撲下，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姿態(tài)跟蹤協(xié)同控制問題。首先，

3、在假設(shè)外界擾動為零的情況下，采用基于行為方式的控制策略給出了一種“比例微分前饋補償”的姿態(tài)協(xié)同控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)航天器對期望姿態(tài)和角速度的跟蹤，同時保證航天器之間的相對姿態(tài)在一定程度上的保持；進一步，通過姿態(tài)向量測量的誤差分析，在采用姿態(tài)的向量測量情況下，提出了對于外界擾動具有魯棒性的姿態(tài)跟蹤協(xié)同控制策略，并且研究了控制器對于常值通信時滯的魯棒性。對于有無通信時滯的情況，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、時變通信時滯等情況下的姿態(tài)協(xié)同跟蹤控制問題。首先研究了系統(tǒng)不含有參數(shù)不確定性、外部擾動和通信時滯的理想情況，通過引入包含姿態(tài)跟蹤誤差和角速度跟蹤誤差的輔助中間變量，設(shè)計了幾乎全局漸近穩(wěn)定的姿態(tài)協(xié)同控制器；對于系統(tǒng)存在參數(shù)不確定性和外部擾動的情況，分別設(shè)計了自適應(yīng)律估計未知的航天器轉(zhuǎn)動慣量矩陣和擾動的上界，并設(shè)計了自適應(yīng)魯棒協(xié)

5、同控制器；對于同時存在參數(shù)不確定性、外部擾動和通信時滯的情況，設(shè)計了考慮通信時滯的自適應(yīng)魯棒協(xié)同控制器，并通過構(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)初值在一個測度為零的集合之外均是漸近穩(wěn)定的，并且只需要通信拓撲結(jié)構(gòu)為強連通的有向圖。當航天器無法獲知外界參考姿態(tài)信號時，在航天器通信拓撲為無向樹的假設(shè)下，提出了僅需要局部相對信息的多航