本文關(guān)鍵詞：多航天器系統(tǒng)有限時間姿態(tài)同步控制設(shè)計

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【摘要】：姿態(tài)同步控制是多航天器系統(tǒng)編隊飛行的重要研究內(nèi)容,其在合成孔徑成像和空基合成孔徑雷達干涉測量等許多實際編隊任務(wù)中發(fā)揮著重要作用,因此在近幾十年受到了研究者的廣泛關(guān)注。航天器系統(tǒng)的動力學(xué)模型具有非線性特點,而且受到轉(zhuǎn)動慣量不確定、未知時變擾動和執(zhí)行器故障等影響,這些都會對多航天器系統(tǒng)的控制精準度、協(xié)同能力,乃至穩(wěn)定性等方面產(chǎn)生負面影響。鑒于航天器結(jié)構(gòu)和航天任務(wù)的日益復(fù)雜和多樣化,多性能指標的控制要求使得傳統(tǒng)控制方案不再奏效�；诨？刂评碚摵妥赃m應(yīng)機制,本文將針對不同情形下多航天器系統(tǒng)的有限時間姿態(tài)同步開展研究。論文的主要內(nèi)容概述如下:1.討論未知時變擾動影響下多航天器系統(tǒng)的有限時間姿態(tài)同步控制問題�；趫D論理論、自適應(yīng)機制、基于切換面的非奇異快速終端滑模和有限時間技術(shù),設(shè)計了一種基于無向圖的分散式有限時間姿態(tài)同步控制方案,并給出了嚴格的穩(wěn)定性證明。采用由四個航天器組成的多航天器系統(tǒng)進行仿真實驗,實驗結(jié)果驗證了算法的正確性和有效性。2.研究通信拓撲為有向圖情況下的多航天器有限時間姿態(tài)同步問題。首先基于圖論理論設(shè)計了一類分散式非奇異快速終端滑模面�？紤]未知時變擾動的影響,結(jié)合自適應(yīng)控制機制提出了基于有向拓撲的有限時間姿態(tài)同步控制方案,該方案不依賴擾動上界先驗信息,且能夠保證跟蹤誤差和相對誤差在有限時間收斂到零點附近的小區(qū)域。最后提供了兩個仿真實驗對算法可行性和優(yōu)越性加以驗證,并通過比較分析給出了相關(guān)設(shè)計參數(shù)對控制性能影響的一般規(guī)律。3.在上述研究基礎(chǔ)上,同時考慮轉(zhuǎn)動慣量不確定和未知時變擾動的影響,針對有向通信拓撲環(huán)境下的姿態(tài)同步問題進行了討論。基于圖論理論、自適應(yīng)機制和非奇異快速終端滑�？刂萍夹g(shù)設(shè)計了一種分散式有限時間姿態(tài)同步控制方案,并給出了姿態(tài)跟蹤誤差有限時間收斂的嚴格證明和收斂域上界的精確表達式。此方案無需轉(zhuǎn)動慣量不確定和未知時變擾動的確切上界,且能夠在有效抑制模型不確定和時變擾動的同時提供更快速更高精度的控制性能。4.考慮轉(zhuǎn)動慣量不確定和未知時變擾動的影響,針對多航天器系統(tǒng)中存在一個虛擬領(lǐng)航者的情形,設(shè)計分布式架構(gòu)模式下的有限時間姿態(tài)同步控制方案。假設(shè)只有部分跟隨者航天器可獲悉虛擬領(lǐng)航者信息,跟隨者航天器之間的通信拓撲可以是無向圖或有向圖。首先,利用兩個鄰居同步誤差信號,結(jié)合自適應(yīng)機制,設(shè)計了一種有限時間協(xié)同控制算法。然后利用跟隨者航天器對虛擬領(lǐng)航者的狀態(tài)估計,提出了不依賴鄰居精確狀態(tài)信息的分布式有限時間協(xié)同控制算法。兩種控制方案都能保證所有跟隨者航天器在有限時間與虛擬領(lǐng)航者達到同步。采用連續(xù)的控制設(shè)計,所研算法能夠有效抑制控制抖振現(xiàn)象,且能提供強魯棒性、高精度收斂和快速響應(yīng)的優(yōu)越性能。5.基于上述結(jié)論,進一步研究轉(zhuǎn)動慣量不確定、未知時變擾動和執(zhí)行器故障影響下的多航天器系統(tǒng)姿態(tài)同步控制問題。當跟隨者航天器間采用有向通信拓撲時,分別基于鄰居同步誤差信號和跟隨者航天器對虛擬領(lǐng)航者的狀態(tài)估計,設(shè)計了兩種分布式有限時間容錯控制方案。兩種控制策略都能夠保證姿態(tài)誤差和角速度誤差的有限時間收斂性。特別地,所研方案無需對執(zhí)行器故障進行在線辨識,且能夠提供容錯性、高精度收斂、快速相應(yīng)、較強魯棒性和抖振抑制等控制性能。最后,歸納總結(jié)了本論文的主要研究成果,并對今后的工作進行了展望。
【關(guān)鍵詞】：多航天器系統(tǒng) 姿態(tài)同步 姿態(tài)協(xié)同控制 有限時間控制 終端滑模 自適應(yīng)控制 容錯控制
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 第1章 緒論19-37
• 1.1 研究背景與意義19-24
• 1.2 主要問題和挑戰(zhàn)24-26
• 1.3 多航天器系統(tǒng)姿態(tài)同步控制研究現(xiàn)狀26-32
• 1.3.1 主從方式27
• 1.3.2 虛擬結(jié)構(gòu)方式27-28
• 1.3.3 行為方式28-29
• 1.3.4 基于一致性29-32
• 1.4 多航天器系統(tǒng)有限時間姿態(tài)同步研究現(xiàn)狀32-33
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容33-37
• 第2章 預(yù)備知識37-47
• 2.1 常用符號與概念37-38
• 2.2 圖論理論38-40
• 2.2.1 圖的基本概念38-39
• 2.2.2 鄰接矩陣和Laplacian矩陣39-40
• 2.3 常用參考坐標系40-41
• 2.4 航天器姿態(tài)描述方法41-43
• 2.4.1 Rodrigues參數(shù)描述法41-42
• 2.4.2 MRP描述法42
• 2.4.3 四元數(shù)描述法42-43
• 2.5 航天器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型43-44
• 2.5.1 航天器姿態(tài)運動學(xué)模型43
• 2.5.2 航天器姿態(tài)動力學(xué)模型43-44
• 2.6 相關(guān)穩(wěn)定性理論、定義及引理44-45
• 2.7 結(jié)論45-47
• 第3章 擾動環(huán)境下基于無向拓撲的分散式有限時間姿態(tài)同步控制47-63
• 3.1 引言47-48
• 3.2 問題描述48-50
• 3.2.1 航天器姿態(tài)動力學(xué)和運動學(xué)模型48-49
• 3.2.2 航天器姿態(tài)誤差動力學(xué)和運動學(xué)模型49-50
• 3.3 主要結(jié)果50-58
• 3.3.1 基于切換面的分散式非奇異快速終端滑模面設(shè)計50-51
• 3.3.2 分散式有限時間姿態(tài)同步控制設(shè)計51-55
• 3.3.3 修正的分散式有限時間姿態(tài)同步控制設(shè)計55-58
• 3.4 數(shù)值仿真58-62
• 3.5 結(jié)論62-63
• 第4章 擾動環(huán)境下基于有向拓撲的分散式有限時間姿態(tài)同步控制63-85
• 4.1 引言63-64
• 4.2 問題描述64-65
• 4.3 主要結(jié)果65-75
• 4.3.1 分散式有限時間姿態(tài)同步控制設(shè)計66-70
• 4.3.2 修正的分散式有限時間姿態(tài)同步控制設(shè)計70-75
• 4.4 數(shù)值仿真75-82
• 4.4.1 線型通信拓撲76-80
• 4.4.2 環(huán)型通信拓撲80-82
• 4.5 結(jié)論82-85
• 第5章 轉(zhuǎn)動慣量不確定和未知擾動影響下的分散式有限時間姿態(tài)同步控制85-99
• 5.1 引言85-86
• 5.2 問題描述86-87
• 5.3 主要結(jié)果87-94
• 5.3.1 分散式有限時間姿態(tài)同步控制設(shè)計88-91
• 5.3.2 修正的分散式有限時間姿態(tài)同步控制設(shè)計91-94
• 5.4 數(shù)值仿真94-97
• 5.5 結(jié)論97-99
• 第6章 分布式有限時間姿態(tài)同步控制99-119
• 6.1 引言99-100
• 6.2 問題描述100-102
• 6.3 主要結(jié)果102-112
• 6.3.1 基于鄰居狀態(tài)信息的分布式有限時間姿態(tài)同步控制設(shè)計102-107
• 6.3.2 基于估計器的分布式有限時間姿態(tài)同步控制設(shè)計107-112
• 6.4 數(shù)值仿真112-116
• 6.5 結(jié)論116-119
• 第7章 分布式有限時間姿態(tài)同步容錯控制119-141
• 7.1 引言119-120
• 7.2 問題描述120-121
• 7.3 主要結(jié)果121-132
• 7.3.1 基于鄰居狀態(tài)信息的分布式有限時間姿態(tài)同步容錯控制設(shè)計121-127
• 7.3.2 基于估計器的分布式有限時間姿態(tài)同步容錯控制設(shè)計127-132
• 7.4 數(shù)值仿真132-139
• 7.4.1 采用控制律(7.19)134-137
• 7.4.2 采用控制律(7.30)137-139
• 7.5 結(jié)論139-141
• 第8章 結(jié)論與展望141-145
• 8.1 研究工作的總結(jié)141-142
• 8.2 研究展望142-145
• 參考文獻145-163
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表與撰寫的學(xué)術(shù)論文163-167
• 致謝167-169
• 作者簡介169

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本文編號：820302