分布式協(xié)調(diào)控制及其在航天器編隊中的應(yīng)用.pdf

1、分布式航天器協(xié)調(diào)編隊控制問題一直是航空航天領(lǐng)域研究的熱點,由于其獨特的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用背景而備受關(guān)注。從本質(zhì)上講,航天器編隊飛行系統(tǒng)是一個分布式的空間系統(tǒng),分布式的協(xié)調(diào)控制則是作為航天器編隊飛行的一項關(guān)鍵技術(shù),從理論到實際應(yīng)用上都帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此,對分布式的協(xié)調(diào)編隊技術(shù)的研究將很有必要。本論文以分布式航天器協(xié)調(diào)編隊飛行為背景,針對航天器分布式協(xié)調(diào)控制理論和協(xié)調(diào)編隊?wèi)?yīng)用等問題進行研究,主要包含以下幾方面的內(nèi)容:
　　首先,

2、針對分布式協(xié)調(diào)控制理論中的協(xié)調(diào)一致性問題,提出了一種分布式協(xié)調(diào)一致性算法。針對由多個動態(tài)相互獨立,內(nèi)部存在網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)組成的多個體系統(tǒng),利用圖論對多個體系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)之間的通訊網(wǎng)絡(luò)進行描述,用圖的鄰接矩陣來刻畫各個子系統(tǒng)之間的通信拓撲關(guān)系。指出在各個子系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊拓撲結(jié)構(gòu)在包含一顆生成樹的情形下,基于預(yù)測控制的思想,在每一個子系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)中只考慮與其相鄰子系統(tǒng)達成一致的條件,就可以將多個體系統(tǒng)的一致性問題轉(zhuǎn)換為一個分布

3、式協(xié)調(diào)優(yōu)化問題。最后利用所提出的分布式協(xié)調(diào)一致性算法針對每一個子系統(tǒng)進行求解,并能夠保證整個系統(tǒng)能夠達成一致。
　　然后,針對多個體系統(tǒng)的分布式控制問題,提出了一種基于一致性的分布式協(xié)調(diào)控制器設(shè)計方法。指出在整個系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)通訊拓撲結(jié)構(gòu)在包含一顆生成樹的情形下,將整個系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)分解到每一個子系統(tǒng)上，得到分布式協(xié)調(diào)控制情形下各個子系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù),并在各個子系統(tǒng)的優(yōu)化控制問題中加入預(yù)設(shè)狀態(tài)軌跡和預(yù)測狀態(tài)軌跡之間的一致

4、性約束條件,同時加入終端約束條件來保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性,從而將一個集中式控制問題轉(zhuǎn)化為一個分布式協(xié)調(diào)控制問題。這樣可以通過分別求解每一個子系統(tǒng)的簡單的控制問題即可滿足整個系統(tǒng)的控制目標(biāo),大大降低了原有問題的復(fù)雜性。仿真結(jié)果表明,當(dāng)子系統(tǒng)數(shù)目不斷增多時,與傳統(tǒng)的集中式控制方式相比較,采用分布式協(xié)調(diào)控制的方式的優(yōu)勢會明顯增加。
　　其次,針對多個體系統(tǒng)的分布式協(xié)調(diào)編隊控制問題,提出了一種分布式協(xié)調(diào)控制器設(shè)計方法。在協(xié)調(diào)編隊控制過程中,

5、每個子系統(tǒng)首先需要對期望的整體編隊構(gòu)形的認識達成一致,從而使得每一個子系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)與期望編隊構(gòu)形直接相關(guān)。然后在設(shè)計好期望的編隊構(gòu)形后,利用本文所提出的分布式協(xié)調(diào)控制器設(shè)計方法,并考慮各個子系統(tǒng)之間避免碰撞的約束條件,利用一致性約束條件將各個子系統(tǒng)之間避免碰撞的耦合約束條件轉(zhuǎn)為非耦合約束條件以方便求解,并進一步證明了本文所提出的分布式協(xié)調(diào)編隊控制器設(shè)計方法的可行性和穩(wěn)定性。數(shù)值仿真也驗證了該方法是十分有效的。
　　最后,針對分布

6、式航天器的協(xié)調(diào)編隊控制問題,提出了一種分布式協(xié)調(diào)編隊控制器設(shè)計方法,解決了分布式航天器的協(xié)調(diào)編隊控制問題。由于進行編隊的航天器中的各成員的通訊能力和計算能力有限,應(yīng)該設(shè)計與傳統(tǒng)集中式控制方式不同的控制結(jié)構(gòu),可以將一個大型的通訊問題和計算問題分解到每一顆航天器上進行分布式處理,以有效地提高整個航天器編隊系統(tǒng)的控制效率,并提升控制性能。本文利用航天器間精確的非線性相對運動動力學(xué)方程,利用所提出的分布式協(xié)調(diào)控制器設(shè)計方法解決了這一問題。利用分