分布式協(xié)調(diào)控制及其在航天器編隊中的應(yīng)用.pdf

1、分布式航天器協(xié)調(diào)編隊控制問題一直是航空航天領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),由于其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用背景而備受關(guān)注。從本質(zhì)上講,航天器編隊飛行系統(tǒng)是一個分布式的空間系統(tǒng),分布式的協(xié)調(diào)控制則是作為航天器編隊飛行的一項關(guān)鍵技術(shù),從理論到實際應(yīng)用上都帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此,對分布式的協(xié)調(diào)編隊技術(shù)的研究將很有必要。本論文以分布式航天器協(xié)調(diào)編隊飛行為背景,針對航天器分布式協(xié)調(diào)控制理論和協(xié)調(diào)編隊?wèi)?yīng)用等問題進(jìn)行研究,主要包含以下幾方面的內(nèi)容:
　　首先,

2、針對分布式協(xié)調(diào)控制理論中的協(xié)調(diào)一致性問題,提出了一種分布式協(xié)調(diào)一致性算法。針對由多個動態(tài)相互獨(dú)立,內(nèi)部存在網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)組成的多個體系統(tǒng),利用圖論對多個體系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)之間的通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行描述,用圖的鄰接矩陣來刻畫各個子系統(tǒng)之間的通信拓?fù)潢P(guān)系。指出在各個子系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在包含一顆生成樹的情形下,基于預(yù)測控制的思想,在每一個子系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)中只考慮與其相鄰子系統(tǒng)達(dá)成一致的條件,就可以將多個體系統(tǒng)的一致性問題轉(zhuǎn)換為一個分布

3、式協(xié)調(diào)優(yōu)化問題。最后利用所提出的分布式協(xié)調(diào)一致性算法針對每一個子系統(tǒng)進(jìn)行求解,并能夠保證整個系統(tǒng)能夠達(dá)成一致。
　　然后,針對多個體系統(tǒng)的分布式控制問題,提出了一種基于一致性的分布式協(xié)調(diào)控制器設(shè)計方法。指出在整個系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在包含一顆生成樹的情形下,將整個系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)分解到每一個子系統(tǒng)上，得到分布式協(xié)調(diào)控制情形下各個子系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù),并在各個子系統(tǒng)的優(yōu)化控制問題中加入預(yù)設(shè)狀態(tài)軌跡和預(yù)測狀態(tài)軌跡之間的一致

4、性約束條件,同時加入終端約束條件來保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性,從而將一個集中式控制問題轉(zhuǎn)化為一個分布式協(xié)調(diào)控制問題。這樣可以通過分別求解每一個子系統(tǒng)的簡單的控制問題即可滿足整個系統(tǒng)的控制目標(biāo),大大降低了原有問題的復(fù)雜性。仿真結(jié)果表明,當(dāng)子系統(tǒng)數(shù)目不斷增多時,與傳統(tǒng)的集中式控制方式相比較,采用分布式協(xié)調(diào)控制的方式的優(yōu)勢會明顯增加。
　　其次,針對多個體系統(tǒng)的分布式協(xié)調(diào)編隊控制問題,提出了一種分布式協(xié)調(diào)控制器設(shè)計方法。在協(xié)調(diào)編隊控制過程中,

5、每個子系統(tǒng)首先需要對期望的整體編隊構(gòu)形的認(rèn)識達(dá)成一致,從而使得每一個子系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)與期望編隊構(gòu)形直接相關(guān)。然后在設(shè)計好期望的編隊構(gòu)形后,利用本文所提出的分布式協(xié)調(diào)控制器設(shè)計方法,并考慮各個子系統(tǒng)之間避免碰撞的約束條件,利用一致性約束條件將各個子系統(tǒng)之間避免碰撞的耦合約束條件轉(zhuǎn)為非耦合約束條件以方便求解,并進(jìn)一步證明了本文所提出的分布式協(xié)調(diào)編隊控制器設(shè)計方法的可行性和穩(wěn)定性。數(shù)值仿真也驗證了該方法是十分有效的。
　　最后,針對分布

6、式航天器的協(xié)調(diào)編隊控制問題,提出了一種分布式協(xié)調(diào)編隊控制器設(shè)計方法,解決了分布式航天器的協(xié)調(diào)編隊控制問題。由于進(jìn)行編隊的航天器中的各成員的通訊能力和計算能力有限,應(yīng)該設(shè)計與傳統(tǒng)集中式控制方式不同的控制結(jié)構(gòu),可以將一個大型的通訊問題和計算問題分解到每一顆航天器上進(jìn)行分布式處理,以有效地提高整個航天器編隊系統(tǒng)的控制效率,并提升控制性能。本文利用航天器間精確的非線性相對運(yùn)動動力學(xué)方程,利用所提出的分布式協(xié)調(diào)控制器設(shè)計方法解決了這一問題。利用分