【摘要】：在實際問題中,許多控制系統(tǒng)都會受到一些不確定因素的影響從而引起系統(tǒng)參數(shù)的改變,例如部件故障或者外部擾動等。為了考慮這些不確定因素對系統(tǒng)的影響,就需要利用Markov跳變理論對系統(tǒng)進行建模。模型參考跟蹤控制在一些工程背景中有著大量的應(yīng)用,同時也是系統(tǒng)設(shè)計的研究內(nèi)容之一。另一方面關(guān)于衛(wèi)星控制中存在的某些問題,可以在Markov跳變系統(tǒng)的模型參考跟蹤控制這一框架下進行求解。那么,對Markov跳變系統(tǒng)的模型參考跟蹤控制這一問題展開深入研究,則不但具有重要的理論價值同時也具有一定的實際意義。本論文對跳變系統(tǒng)的模型參考跟蹤控制問題進行了深入的研究,提出了控制器的完全參數(shù)化求解算法及在故障衛(wèi)星中的應(yīng)用。模型參考跟蹤控制的目標是使得衛(wèi)星系統(tǒng)隨機可鎮(zhèn)定,并且滿足對給定信號的跟蹤。因此本論文所設(shè)計控制器主要包括兩部分:反饋控制律和前饋補償器。主要研究成果包括:首先,研究了執(zhí)行器跳變故障的衛(wèi)星模型參考跟蹤控制問題�？紤]衛(wèi)星沿橢圓軌道運行這一情形,基于Lyapunov穩(wěn)定性理論,給出了衛(wèi)星軌道控制器的存在條件。利用“系數(shù)凍結(jié)法”和優(yōu)化控制方法設(shè)計了使系統(tǒng)達到最小能量消耗指標的狀態(tài)反饋控制律,通過對含有跳變參數(shù)的時變非齊次廣義Sylvester矩陣方程組的求解,獲得了衛(wèi)星前饋補償器解的形式。所設(shè)計的衛(wèi)星軌道控制器中含有自由參數(shù)矩陣,可以通過此矩陣對軌道控制器進行進一步的優(yōu)化。該控制算法不需要對系統(tǒng)進行增廣或者變換,因此易于工程上的應(yīng)用。最后以一個數(shù)值仿真例子驗證了所提控制算法的有效性。其次,考慮衛(wèi)星沿圓軌道運行這一情形,當衛(wèi)星的執(zhí)行器發(fā)生跳變故障時,研究了系統(tǒng)含隨機擾動的故障衛(wèi)星軌跡跟蹤控制問題。根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)所受不同擾動的形式,分別建立了衛(wèi)星系統(tǒng)含It?o型隨機擾動模型和常規(guī)型隨機擾動模型,針對這兩種不同類型擾動的系統(tǒng)模型,給出了衛(wèi)星軌道控制器和跟蹤方程的形式。由于在衛(wèi)星控制中,推力不可能無限大,因此,在推力受限情形下,如何對擾動進行抑制是控制器設(shè)計的一個難點。這里采用具有最大控制輸入約束條件的線性矩陣不等式方法來解決這一問題,設(shè)計了對It?o型擾動和常規(guī)型擾動具有抑制作用的狀態(tài)反饋控制律。通過對跟蹤方程的求解,獲得了衛(wèi)星軌道控制器參數(shù)化表達形式。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計的控制器不但能使衛(wèi)星完成對懸停和繞飛指令的跟蹤,也可以完成對臨界穩(wěn)定型信號的跟蹤,從而驗證了所提控制器的有效性和優(yōu)越性。隨后,同樣考慮衛(wèi)星沿圓軌道運行這一情形,在衛(wèi)星控制當中,其狀態(tài)有時不可完全測量,于是設(shè)計了基于狀態(tài)觀測器的故障衛(wèi)星軌道跟蹤控制器。給出了該類控制問題的一般數(shù)學描述,以推論形式給出了衛(wèi)星相對軌道控制的跟蹤方程。利用迭代算法,考慮衛(wèi)星系統(tǒng)最小能量消耗這一指標,設(shè)計了基于狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制律,同樣的,前饋補償器可由對跟蹤方程的求解獲得,所解得的軌道控制器中仍然包含可優(yōu)化的自由參數(shù)矩陣。以一個數(shù)值仿真例子驗證了所提控制器的有效性。最后,研究了非合作交會中衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道聯(lián)合跟蹤控制問題。推導了衛(wèi)星姿態(tài)和軌道六自由度運動的數(shù)學模型,然后重點考慮衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生跳變故障這一情形。將衛(wèi)星姿軌聯(lián)合跟蹤控制問題的求解統(tǒng)一到Markov跳變系統(tǒng)的模型參考跟蹤問題這一框架下進行求解,設(shè)計了含有轉(zhuǎn)動慣量跳變故障的衛(wèi)星姿軌聯(lián)合控制器。首先,直接在二階跳變系統(tǒng)模型下推導了衛(wèi)星姿軌聯(lián)合模型的控制器和跟蹤方程的形式,其中跟蹤方程的最高階次同樣為二階。所設(shè)計的控制器包括狀態(tài)反饋項、前饋項和補償項三部分。同時考慮到衛(wèi)星所受到的軌道推力和姿態(tài)力矩受限情形,利用線性矩陣不等式方法設(shè)計了使系統(tǒng)隨機可鎮(zhèn)定的狀態(tài)反饋控制律。對所推導衛(wèi)星姿軌聯(lián)合系統(tǒng)的跟蹤方程進行求解,獲得了衛(wèi)星姿軌聯(lián)合控制器的參數(shù)化形式。以一個衛(wèi)星交會的仿真例子驗證了所提控制器的有效性。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP13

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