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航天器编队姿态协同控制方法研究

靳尔东  
【摘要】: 航天器编队的姿态协同控制在空基干涉测量和合成孔径成像等编队任务中起着重要的作用,在近年来备受关注。由于模型不确定性,外界干扰,输入饱和以及通讯链路延迟等不利因素的存在,在实际中难以得到满意的协同控制性能。为了解决这个问题,本文研究了鲁棒的姿态协同控制方法。论文的主要内容如下: 研究了作为编队协同控制基础的单个航天器的姿态控制方法。针对挠性航天器的鲁棒姿态调节问题,通过将姿态运动学以及受控的动力学方程转换为标准的奇异扰动模型,设计了基于MRP (Modified Rodrigues Parameters)的半全局稳定的非线性PID控制器;利用合适的Lyapunov函数,提出了常值干扰缺失以及存在情况下基于四元数和MRP的模型独立控制器,这些控制器均全局收敛。为了解决更一般的跟踪控制问题,根据Lyapunov方法提出了仅需要姿态和角速度信息且形式简单的鲁棒控制器。采用恰当的Lyapunov函数以及必要的证明技巧,证明了模型不缺性和有界干扰存在下控制器的全局收敛性。 基于上述研究,设计了基于MRP的对常值干扰鲁棒的协同控制器。为了克服其对模型不确定敏感的缺陷,在Lyapunov函数中融入了合适的参数估计变量,进而得到了基于四元数和MRP的协同控制律。这些控制器对常值干扰和航天器之间的信息传输延迟同样鲁棒。根据Barbalat引理的一个推论,证明了所提出控制器对相应闭环系统的吸引性。此外,讨论了基于四元数的控制器在特殊情况下的应用及挠性航天器编队协同控制器的设计问题。 考虑到进一步获得在一般有界干扰下仍然全局收敛的控制器,提高姿态协同控制的瞬态性能,选取了合适的协同变量,根据Lyapunov直接法得到了基于四元数和MRP的结构清晰的变结构控制算法。这些控制器对模型误差,外界干扰及航天器间的通讯延迟均鲁棒。为了恢复在协同中绝对运动控制和相对运动控制的均衡,提出了相应的改进控制器。此外,提出了具有全局收敛性的鲁棒的饱和协同控制器,并且针对存在模型不确定性和有界干扰的挠性航天器编队,设计了基于MRP的姿态协同控制律。 由于姿态运动学和动力学方程可以转化为二阶的Lagrange方程,基于这样的一般性动力学形式研究了协同控制问题。首先,提出了在模型不确定性和外界干扰下全局渐进稳定的协同控制律。接着,给出了其改进形式。利用这些结论,解决了刚性航天器姿态协同和双积分系统协同的控制问题。在一些特殊情况下,可以发现基于一般的Lagrange动力学方程得到的控制器,其简化形式同样能够适用。 对于论文中提出的控制器,利用Matlab进行了数值仿真以验证理论结果的有效性。另外,为了检验航天器编队波束同步的控制效果,利用STK进行了动画演示验证。


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