分布式协调控制及其在航天器编队中的应用

摘要

分布式航天器协调编队控制问题一直是航空航天领域研究的热点,由于其独特的技术优势和广阔的应用背景而备受关注。从本质上讲,航天器编队飞行系统是一个分布式的空间系统,分布式的协调控制则是作为航天器编队飞行的一项关键技术,从理论到实际应用上都带来了巨大的挑战。因此,对分布式的协调编队技术的研究将很有必要。本论文以分布式航天器协调编队飞行为背景,针对航天器分布式协调控制理论和协调编队应用等问题进行研究,主要包含以下几方面的内容:
　　首先,针对分布式协调控制理论中的协调一致性问题,提出了一种分布式协调一致性算法。针对由多个动态相互独立,内部存在网络通讯结构的子系统组成的多个体系统,利用图论对多个体系统中各个子系统之间的通讯网络进行描述,用图的邻接矩阵来刻画各个子系统之间的通信拓扑关系。指出在各个子系统之间的网络通讯拓扑结构在包含一颗生成树的情形下,基于预测控制的思想,在每一个子系统的目标函数中只考虑与其相邻子系统达成一致的条件,就可以将多个体系统的一致性问题转换为一个分布式协调优化问题。最后利用所提出的分布式协调一致性算法针对每一个子系统进行求解,并能够保证整个系统能够达成一致。
　　然后,针对多个体系统的分布式控制问题,提出了一种基于一致性的分布式协调控制器设计方法。指出在整个系统中的各个子系统之间网络通讯拓扑结构在包含一颗生成树的情形下,将整个系统的目标函数分解到每一个子系统上，得到分布式协调控制情形下各个子系统的目标函数,并在各个子系统的优化控制问题中加入预设状态轨迹和预测状态轨迹之间的一致性约束条件,同时加入终端约束条件来保证整个系统的稳定性,从而将一个集中式控制问题转化为一个分布式协调控制问题。这样可以通过分别求解每一个子系统的简单的控制问题即可满足整个系统的控制目标,大大降低了原有问题的复杂性。仿真结果表明,当子系统数目不断增多时,与传统的集中式控制方式相比较,采用分布式协调控制的方式的优势会明显增加。
　　其次,针对多个体系统的分布式协调编队控制问题,提出了一种分布式协调控制器设计方法。在协调编队控制过程中,每个子系统首先需要对期望的整体编队构形的认识达成一致,从而使得每一个子系统的目标函数与期望编队构形直接相关。然后在设计好期望的编队构形后,利用本文所提出的分布式协调控制器设计方法,并考虑各个子系统之间避免碰撞的约束条件,利用一致性约束条件将各个子系统之间避免碰撞的耦合约束条件转为非耦合约束条件以方便求解,并进一步证明了本文所提出的分布式协调编队控制器设计方法的可行性和稳定性。数值仿真也验证了该方法是十分有效的。
　　最后,针对分布式航天器的协调编队控制问题,提出了一种分布式协调编队控制器设计方法,解决了分布式航天器的协调编队控制问题。由于进行编队的航天器中的各成员的通讯能力和计算能力有限,应该设计与传统集中式控制方式不同的控制结构,可以将一个大型的通讯问题和计算问题分解到每一颗航天器上进行分布式处理,以有效地提高整个航天器编队系统的控制效率,并提升控制性能。本文利用航天器间精确的非线性相对运动动力学方程,利用所提出的分布式协调控制器设计方法解决了这一问题。利用分布式协调控制对航天器编队飞行中的一个典型的任务编队捕获问题进行了仿真验证,并取得了良好的控制效果。

目录

分布式协调控制及其在航天器编队中的应用

DISTRIBUTED COORDINATIVECONTROL AND ITS APPLICATION TOSPACECRAFT FORMATION

摘 要

ABSTRACT

目 录

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 国内外分布式航天器系统发展现状

1.2.1 “21世纪技术卫星”计划

1.2.2 “F6系统”计划

1.2.3 “星族(ClusterⅡ)”计划

1.2.4 Proba-3任务

1.2.5 PRISMA项目

1.3 分布式航天器协调控制系统的研究现状

1.3.1 协调一致性问题研究现状

1.3.2 分布式控制理论研究现状

1.3.3 分布式航天器协调编队控制研究现状

1.4 论文的研究内容与组织结构

第 2 章 分布式协调控制理论中的一致性问题

2.1 引言

2.2 预备知识

2.2.1 图论基本知识

2.2.2 图的矩阵表示

2.2.3 相关结果

2.3 分布式协调一致性问题描述

2.4 分布式协调一致性算法设计

2.4.1 分布式协调一致性算法

2.4.2 一致性收敛分析

2.5 数值仿真

2.5.1 拓扑结构图固定时的情形

2.5.2 拓扑结构图变化时的情形

2.6 本章小结

第 3 章 基于一致性的多个体系统的分布式协调控制

3.1 引言

3.2 多个体系统的集中式控制理论

3.2.1 问题描述

3.2.2 相关结果

3.3 多个体系统的分布式协调控制

3.3.1 问题描述

3.3.2 分布式协调控制器设计

3.3.3 稳定性分析

3.4 集中式控制与分布式协调控制比较

3.4.1 定量分析

3.4.2 数值仿真

3.5 本章小结

第 4 章 基于一致性的多个体系统协调编队控制

4.1 引言

4.2 问题描述

4.3 分布式协调编队控制器设计

4.3.1 目标函数与优化控制问题

4.3.2 控制器设计

4.4 数值仿真

4.5 本章小结

第 5 章 分布式航天器协调编队控制

5.1 引言

5.2 分布式航天器相对状态描述

5.2.1 坐标系

5.2.2 航天器相对运动方程

5.2.3 建模误差分析

5.3 分布式航天器协调编队控制器设计

5.3.1 问题描述

5.3.2 控制器设计

5.4 仿真分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

哈 尔 滨 工 业 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明 及 使 用 授 权 说 明

致 谢

个人简历