基于一致性理论的卫星编队滑模反步协同控制研究

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1、基于一致性理论的卫星编队滑模/反步协同控制研究郭耀华2015年1月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540基于一致性理论的卫星编队滑模/反步协同控制研究作者姓名郭耀华学院名称自动化学院指导教师刘向东(教授)答辩委员会主席廖晓钟(教授)申请学位工学硕士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月SlidingMode/BacksteppingCoordinatedControlofSatelliteFormationBasedonConsensusTheoryCandidateName：GuoYaohuaSchoolorDe

2、partment:SchoolofAutomationFacultyMentor:Prof.LiuXiangdongChair,ThesisCommittee：Prof.XiaozhongLiaoDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor：ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文

3、中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要卫星编队飞行拥有巨大的技术优势和广阔的应用潜能，是近年来航天领域探索的热点。本文以一致性理论为基础，利用滑模和反步控制方法，对卫星编队姿态和轨道的协同控制进行了研究。针对匹配干扰条件下的卫星编队姿态协同控制问题，本文采用一种新的时变滑模控制方法，使得卫星编队姿态始终处于滑动模

4、态。取消了传统滑模的到达阶段，实现了全局鲁棒控制，并且使得编队中卫星的姿态在协作的过程中，以指数速度收敛于期望的姿态轨迹。进一步研究了匹配干扰和匹配噪声同时存在情况下的编队控制。首先设计用以产生参考轨迹且具有二阶系统特性的虚拟系统，以提高卫星编队姿态协同的性能以及设计的灵活性。然后，借助滑模和LMI方法得到卫星编队姿态协同控制律，其中，滑模方法保证了卫星姿态响应对匹配干扰不敏感，而LMI方法则通过选择编队中邻接卫星的反馈信息来实现编队姿态协同对匹配噪声的H∞性能。研究了两种情形下的卫星编队多延时姿态协同控制：一、仅部分卫星已知编队的时不变姿态期望轨迹；二、

5、所有卫星已知编队的时变姿态期望轨迹。对于第一种情形，引入了时延情况下各卫星对应的虚拟系统。虚拟系统所包含的卫星编队的反馈信息避免了该系统过快地收敛于期望姿态的问题。在此基础上，结合Lyapunov稳定理论和反步控制法得到情形一下的卫星编队姿态协同控制律。而对于第二种情形，首先设计了角速度伪控制律，进而借助Lyapunov-Krasovski函数和反步法得到该情形下编队的多时延姿态协同控制律。最后，将虚拟系统思想和反步法应用于多时延情况下卫星编队轨道的协同控制问题中。设计了基于Hill-Clohessy-Wiltshire(HCW)方程的卫星编队在多时延条件

6、下队形保持和重构的加速度控制输入。关键词：卫星编队；滑模；反步法；匹配干扰；匹配噪声；多时延I北京理工大学硕士学位论文AbstractSatelliteformationflyinghashugetechnologicaladvantagesandbroadapplicationprospects,andhasreceivedalotofresearchinterestinrecentyears.Basedonconsensustheory,thispaperinvestigatesthecoordinatedcontrolofattitudeandorb

7、itofthesatelliteformationusingslidingmodeandbacksteppingmethod.Consideringattitudecoordinationcontrolforsatelliteformationwithmatchedperturbations,atime-varyingslidingmodecontrolmethodisproposedtoguaranteetheoccurrenceoftheslidingmodeattheverybeginning.Thus,thereachingphaseofslidi

8、ngmodecontroliseliminatedandthegl