基于干扰观测器的多航天器固定时间姿态协同跟踪控制.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()国家自然科学基金企业创新发展联合基金集成项目()作者简介:陈传志()男博士副教授:.通信作者:张云啸()男硕士研究生:.:./.基于干扰观测器的多航天器固定时间姿态协同跟踪控制陈传志张云啸张 俞张迎雪余虹志张 杰邓小康(.南京航空航天大学 航天学院 南京.深空星表探测机构技术重点实验室 南京.上海宇航系统工程研究所 上海)摘要:针对受扰动下的多航天器系统姿态一致性跟踪问题提出一种基于干扰观测器与固定时间理论的分布式姿态协同控制策略 多航天器系统在空间中易受太阳光压、重力梯度与地磁力等外部
2、干扰影响而导致控制精度下降此外航天器内部惯量不确定性带来的影响也不可忽视因此设计一种基于二阶积分滑模的干扰观测器对复合干扰进行快速精确估计且该观测器无需任何干扰先验信息 利用观测器获得的估计值结合领导跟随法提出一种分布式固定时间姿态协同控制器实现系统固定时间收敛收敛时间可通过控制参数进行调节 利用 函数证明了系统的固定时间稳定性 仿真与对比试验结果表明干扰观测器能在较快时间内实现对复合干扰准确估计协同控制器能在固定时间内实现对期望姿态鲁棒跟踪与自适应有限时间方法相比该控制策略精度更高、收敛速度更快和燃油消耗更少关键词:多航天器干扰观测器姿态协同跟踪固定时间一致性滑模控制本文引用格式:陈传志张云
3、啸张俞等.基于干扰观测器的多航天器固定时间姿态协同跟踪控制.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引言随着航天科学技术不断发展单体航天器因其复杂的结构与高维护成本已难以适应多样化的航天任务 而多个结构简单、成本较低的小型航天器相互协调完成复杂航天任务可以有效弥补单体航天器的缺陷 此外多航天器系统还拥有扩展性强与可靠性高等优点 多航天器姿态协同控制技术是航天器编队成功完成任务的重要保障其在多个领域如重力场测量和合成孔径雷达中有着广泛应用因此近年来吸引了越来越多学者的关注目前航天器姿态协同控制方法主要包括领导跟随方法、虚拟结构方法和基于行为的方法
4、在使用领导跟随法对多航天器进行姿态控制时各跟随航天器在保持姿态一致的条件下需协同跟踪领航航天器姿态 等针对特定航天任务对编队航天器姿态的高精度要求考虑重力梯度与执行器力矩受限的影响基于领导跟随法设计了一种多航天器姿态协同控制器 在虚拟结构法中多航天器系统将被视为一个虚拟的刚体进行机动控制通过建立结构状态和航天器自身状态之间的函数关系设计控制策略实现多航天器姿态协同控制目标 在文献 中研究人员通过虚拟结构法提出了多种多航天器姿态协同控制方法 编队航天器往往需要同时完成多个任务目标基于行为法是一种对每一个控制任务目标对应的控制行为进行加权平均处理的控制策略 等基于行为控制方法设计了一种事件触发通信
5、方法使信息传输受限情况下的航天器编队相对位置协调控制问题得以解决 在以上提到的方法中虚拟结构法缺乏灵活性和适应性基于行为法中稳定性分析复杂而领导跟随法结构简单易于实施被广泛应用于多航天器姿态控制中 因此本文中将基于领导跟随法设计姿态协同控制策略本文中将滑模控制应用在基于领导跟随法的姿态协同控制策略中 滑模控制因其结构简单响应速度快对于外部干扰与参数不确定性不敏感的特性也被广泛应用于卫星编队控制算法的设计之中 但传统滑模控制的特点是在其平衡点附近渐近收敛无法在有限时间内快速响应 相比之下有限时间方法在平衡点附近收敛速度快并且具备较强的抗扰能力其中非线性终端滑模面是设计有限时间控制器的有效工具 终
6、端滑模面相较于线性滑模面具有有限时间收敛的优点因而基于终端滑模设计的控制器将使系统状态更快收敛至平衡点并且具备更强鲁棒性 为克服传统终端滑模的奇异问题文献在考虑时变扰动与执行器故障的影响下将非奇异快速终端滑模面()与自适应方法结合设计了一种高精度分布式姿态协同控制器 但是其并未在控制器的设计上考虑代数环问题 文献提出的基于反步法的快速终端滑模方法不仅提高了传统终端滑模的收敛速度避免了奇异问题而且通过选择合适的滑模面避免了代数环问题 在有限时间方法中当系统状态在初始时刻远离平衡点时收敛速度会有明显下降导致收敛时间增加 因此亟需设计一种收敛时间独立于初始状态的姿态协同控制方法 有学者提出了固定时间
7、控制能保证系统状态在固定时间内收敛至平衡点 相比于有限时间控制固定时间控制的时间上界取决于系统参数相关的正常数而与初始状态无关 因此无论系统状态在最初时刻与期望平衡点相差多大其也将在固定时间内收敛从而加快系统收敛速度 此外有限时间方法的高稳态特性、强鲁棒性和强抗扰能力依然被固定时间方法保留在复杂空间环境中多航天器姿态协同会受到太阳光压、重力梯度和地磁力等不确定的干扰力矩影响这将导致未考虑外部扰动基础上所设计的控制律的鲁棒性受到挑战为了克服航天器外部扰动对控制系统带来的负面影响文献结合有限时间概念设计了一种新型自适应律以估计并补偿未知环境干扰文献提出了一种自适应律解决了外部扰动上界未知情况下的多
8、航天器姿态控制问题 但上述文献使用自适应方法估计干扰值导致收敛时间较长且未考虑实际应用中由于安装偏差、燃料消耗与帆板展开等造成的陈传志等:基于干扰观测器的多航天器固定时间姿态协同跟踪控制系统惯量不确定性 文献采用神经网络估计惯量不确定性与外部干扰结合反步法设计控制律实现航天器姿态跟踪但利用神经网络观测干扰的计算成本太大、快速性差无法保证系统固定时间收敛稳定基于以上研究针对受扰动下的多航天器一致性姿态跟踪问题将系统惯量不确定性分离出来与外部干扰共同作为复合干扰项采用二阶积分滑模法()设计复合干扰观测器对其实时估测 利用干扰观测值基于固定时间滑模理论设计姿态跟踪控制器并利用 理论证明控制系统的稳定
9、性及在固定时间内的收敛性 最后通过仿真结果表明提出的控制器可使多航天器固定时间内准确完成姿态跟踪任务验证了方法的有效性与优越性 基础知识与问题描述.多航天器姿态协同控制模型本文中通过修正罗德里格参数()建立航天器姿态运动学方程该方法具有对旋转描述无冗余和可克服奇异性的优点 假设以 个航天器组成的姿态协同跟踪系统为研究对象第 个成员的姿态运动学和动力学方程为()()()()()其中:表 示 第 个 航 天 器 的 姿 态()()/)为航天器的姿态角速度 为航天器标称转动惯量矩阵 为惯量不确定矩阵为作用于航天器的控制力矩为航天器所受到的外部干扰力矩 式()中的雅可比矩阵()定义为()()()为 单
10、位矩阵 对于向量 定义为 ()定义主航天器的姿态轨迹为 且满足以下假设:假设:期望姿态轨迹 及其一阶导数和二阶导数都是有界的且满足满足 和 为正常数.代数图论本文中使用无向图 ()来描述由 个航天器组成的多航天器编队系统的通信拓扑关系其由邻接矩阵 节点集 和边集 组成 顶点 表示第 个跟随航天器()表示跟随航天器 与航天器 之间存在的通信链路 图 中表示为一条从指向 的边并称 是 的邻接航天器定义 :()为第 个航天器 的邻接航天器的集合 加权邻接矩阵 的元素 定义为:若()那么 否则 通常情况下节点自身之间没有连通性即 当任意 点 与 间都存在路径时图 为连通图 令图 的入度矩阵为 ()其中
11、 在此基础上定义图 所对应的 矩阵 用 来表示拥有一个虚拟领航星的多航天器系统中各航天器间的通信拓扑关系并且定义矩阵 为图 的领航邻接矩阵 当虚拟领航者的参考信号可以被第 个航天器 接收到时否则.相关定义及引理定义:考虑如下非线性系统:()()系统初始状态为()如果在有限时间内系统式()的任意解()能收敛至平衡点且平衡点为全局渐进稳定即()()其中:为收敛时间函数则系统平衡点可以在有限时间内趋于全局稳定定义:考虑系统式()如果在有限时间内系统任意解()能收敛至平衡点且收敛时间的上界()有界即存在正常数 可使()则系统平衡点是全局固定时间稳定的引理:如果 那么下列结论成立:()()()那么系统式
12、()是有限时间稳定的且收敛时间上界 满足:()()()()引理:考虑系统式()如果存在一个连续的径向无界函数:满足:)()()()()()其中、为正实数且 则系统状态能在固定时间 内收敛至平衡点并稳定且时间上界 其满足:()()()().问题描述本文中以 个跟随航天器与一个主航天器组成的多航天器系统为研究对象定义姿态跟踪误差、和 为兵 器 装 备 工 程 学 报:/./()()()针对多航天器姿态系统式()和式()本文中的控制目标是考虑外部干扰与转动惯量不确定性设计编队协同控制策略实现各跟随航天器姿态对期望姿态轨迹 的一致性跟踪 设计的策略可使所有航天器在固定时间 内实现对期望姿态轨迹的跟踪即
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