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基于动态事件驱动的航天器姿态控制

谢弘毅  
【摘要】:细胞卫星是一种可以自由分离组合、即插即用的标准化微小型卫星,细胞卫星具有大规模在轨构建、在轨服务和在轨维修的能力,因此一经提出就得到了广泛关注。细胞卫星的一个典型的应用场景是对大型失效航天器的姿态接管控制,使用大量细胞卫星主动附着在失效航天器的表面,从而恢复对失效航天器进行姿轨控的能力,进而恢复失效航天器的全部功能。姿态接管控制中主要存在两个问题,其一是(局部)通信受限问题,其二是控制输入饱和问题。由于敏感器细胞星和控制器细胞星附着于失效航天器表面上的不同位置,在姿态接管控制中必须利用无线网络传输敏感器测量信息,因而存在严重的通信受限问题。另外,由于标准化细胞卫星体积极为有限,由多个执行机构细胞卫星构成的执行机构的输出力矩仍然很低,因此存在严重的执行机构力矩饱和问题。此外,为保证被接管航天器上仍能使用的有效载荷的正常工作,需要保证姿态控制系统的高精度。针对姿态接管控制中的(局部)通信受限问题,本文提出了一种动态事件驱动机制(DETM),并基于这种DETM设计了自适应神经网络控制系统,控制稳定性分析和Zeno行为分析以及数值仿真表明这套控制系统能在保证控制精度的前提下大幅度提高任意相邻两次事件驱动之间的最小时间间隔,有效解决了姿态接管控制中的(局部)通信受限问题。然后,在第一部分设计的基于DETM的自适应神经网络控制系统基础上,本文利用动态环增益函数方法设计了能有效避免控制输入饱和的控制系统,并在控制器中额外引入了一个自适应补偿项以确保控制精度,理论分析和数值仿真均表明这套控制系统能够在保证控制精度的前提下,同时有效解决姿态接管控制中的控制输入饱和问题和(局部)通信受限问题。最后,在第二部分设计的基于DETM和动态环增益函数的姿态接管控制系统的基础上,本文在控制器一侧引入了一个与真实航天器动力学系统相对应的估计状态动力学模型,并利用该模型所产生的估计状态设计了连续的控制器,利用这套控制系统可以在保证姿态接管控制的控制精度的前提下,极大限度地提升相邻两次事件驱动之间的(最小)时间间隔,完全消除敏感器和控制器之间的无线网络上出现通信受限的可能性,并有效避免执行机构力矩饱和。


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