航天器軌道交會魯棒和最優(yōu)控制設計.pdf

1、航天器軌道交會一直是航天工程中的重要問題，成功的交會是完成許多飛行任務的前提，比如，探測、維修、救援、對接、大范圍結構集裝以及編隊飛行。然而，按照現(xiàn)有控制理論所設計的控制器在應用于航天器軌道交會時卻往往達不到期望的控制效果，有時甚至連穩(wěn)定性都不能保證。究其原因，一方面是因為數(shù)學模型與實際物理模型之間存在偏差，系統(tǒng)參數(shù)測量存在誤差等不同因素，導致系統(tǒng)具有一定程度的不確定性；另一方面的原因是在控制器設計過程中沒有充分考慮實際物理執(zhí)行器件的測

2、量誤差，使得按照理論計算的控制信號施加在控制對象上有時不準確，有時魯棒性差?；谶@兩方面的原因，本論文將運用不同的控制設計方法解決航天器軌道交會中存在的系統(tǒng)和控制器的不確定性、系統(tǒng)受到外界干擾、控制輸入有界、航天器碰撞避免和燃料優(yōu)化等一系列實際問題。具體說來，主要有以下幾個方面的內容：
　　第1章對本課題相關研究背景、航天器軌道交會發(fā)展狀況和現(xiàn)有理論結果進行分析和總結，在此基礎上，給出了本論文的結構安排和內容簡介。
　　第2

3、章基于C-W方程，考慮系統(tǒng)不確定性及其控制器擾動，提出了航天器軌道交會的魯棒非脆弱保成本控制問題。運用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論和線性矩陣不等式方法，獲得了有控制約束的航天器軌道交會魯棒非脆弱保成本控制存在的充分條件，這個充分條件以線性矩陣不等式的形式給出。將控制約束上界作為優(yōu)化指標，形成了有線性不等式約束的凸優(yōu)化問題，通過求解這個有約束的凸優(yōu)化問題，可獲得系統(tǒng)魯棒非脆弱保成本最優(yōu)控制器。運用這個最優(yōu)控制器，航天器軌道交會任務在較小推力下就能

4、順利完成。數(shù)值例子仿真驗證了所提出控制器設計方法的有效性。
　　第3章在C-W方程框架下，考慮系統(tǒng)不確定性、控制器擾動、外部干擾以及控制約束，提出了航天器軌道交會魯棒非脆弱H∞控制設計多目標問題。運用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論和線性矩陣不等式方法，獲得了航天器軌道交會魯棒非脆弱H∞控制存在的充分條件，這個充分條件以線性矩陣不等式的形式給出。將H∞性能指標作為優(yōu)化指標，可獲得有線性矩陣不等式約束的凸優(yōu)化問題，通過求解這個有約束的凸優(yōu)化問題

5、，可獲得一個魯棒非脆弱H∞最優(yōu)控制器。運用這個控制器，航天器軌道交會任務在外界干擾下可以順利完成。本章中所提出控制器設計方法的有效性通過數(shù)值例子仿真得到了驗證。
　　在第2章和第3章內容的基礎上，本文在第4章進一步研究了關于C-W方程的魯棒非脆弱H∞保成本控制問題?；诶顏喥罩Z夫穩(wěn)定性理論和線性矩陣不等式方法，獲得系統(tǒng)魯棒非脆弱H∞保成本控制器存在的充分條件，這個充分條件以線性矩陣不等式的形式給出。將控制輸入上界和H∞性能指標相結

6、合形成一個混合優(yōu)化指標，就獲得了線性不等式約束的凸優(yōu)化控制問題。設置適當?shù)募訖鄥?shù)，并求解這個有約束的凸優(yōu)化問題，可獲得一個魯棒非脆弱H∞保成本最優(yōu)控制器。用這個所獲得的最優(yōu)控制器，航天器軌道交會任務在外界干擾下運用較小推力就可以順利完成。為了說明本章控制器設計方法的有效性，提供數(shù)值例子進行仿真和驗證。
　　第5章基于T-H方程研究了有約束的航天器軌道交會燃料最優(yōu)控制問題。首先，基于新的航天器軌道交會模型，形成了控制約束和無碰撞約

7、束的最優(yōu)控制問題。將控制參數(shù)化方法和時間尺度變換技巧相結合，有約束的最優(yōu)控制問題可以近似為一系列有約束的參數(shù)選擇優(yōu)化問題。每個有約束的參數(shù)選擇優(yōu)化問題都可以看作一個有約束的優(yōu)化控制問題。然后，運用精確懲罰函數(shù)方法將有約束的最優(yōu)控制問題轉化為一系列無約束的最優(yōu)控制問題，并進一步證明，當罰參數(shù)足夠大時，這些近似的無約束優(yōu)化控制問題的局部最優(yōu)解收斂于原問題的局部最優(yōu)解。最后，通過數(shù)值仿真說明所提出控制器設計方法是有效的。
　　第6章針對

8、T-H方程，提出了航天器軌道交會的H∞控制問題?；谥芷跍世杩ㄌ峋仃囄⒎址匠虆?shù)化方法，獲得了航天器軌道交會魯棒H∞控制器存在的充分條件，這個充分條件以周期準黎卡提矩陣微分方程的形式給出。運用快速多射數(shù)值算法求出周期黎卡提矩陣微分方程的解作為初值，進一步運用數(shù)值算法求解周期準黎卡提矩陣微分方程，從而獲得系統(tǒng)的一個近似H∞最優(yōu)控制器。用這個所獲得的最優(yōu)控制器，航天器交會任務在外界干擾下能順利完成。最后，提供了數(shù)值例子說明本章所提出的控制器