论文总字数：30044字

摘 要

本文以航天器编队飞行实际需要，对其进行了相关的研究，主要内容为：

首先，建立姿态协同控制模型，并使用基于行为的控制方法来解决这些问题，并根据设定的无输入受限的PD 姿态协同控制器来设计输入受限情况下的姿态协同控制器；之后在此基础上分别引入了双曲正切函数和非线性饱和函数来减小系统稳态误差、改善动态特性以及保证协同控制器的有界性。其次，根据李雅普诺夫直接法给出了在这些协同控制器作用下闭环系统的稳定性证明。

再者，由于在实际飞行中，航天器会遇到参数不确定性、外部干扰力矩和不确定地转动惯量情况，所以本文从实际出发，研究了这些情况下的鲁棒姿态协同控制问题。通过利用自适应控制，在所引入的双曲正切函数和非线性饱和函数参数随时间变化的情况下，设计了两种不同情况下的姿态协同控制器。其中，通过引入自适应参数估计项在线辨识转动惯量来解决转动惯量不确定情况下控制器的鲁棒性。然后进一步通过证明系统的稳定性，并通过仿真软件（Matlab/Simulink）进行验证，由仿真实验可以看出，外部干扰力矩和转动惯量不确定的情况可以在所设计的控制器中有效消除。

关键词：编队飞行航天器 姿态协同控制 控制输入受限 鲁棒控制 分布式协同控制 自适应

Cooperative attitude control of Spacecraft Formation Based on behavior

Abstract

Based on the actual needs of spacecraft formation flight, this paper has carried out relevant research, the main contents are as follows:
Firstly, the attitude cooperative control model is established, and the behavior-based control method is used to solve these problems. Secondly, according to the set PD attitude cooperative controller without input constraint, the attitude cooperative controller with input constraint is designed. Then, the hyperbolic tangent function and nonlinear saturation function are introduced to reduce the steady-state error, improve the dynamic characteristics and ensure the boundedness of the cooperative controller. Secondly, according to the Lyapunov direct method, the stability of the closed-loop system under the action of these cooperative controllers is proved.
Moreover, in the actual flight, the spacecraft will encounter parameter uncertainty, external disturbance torque and uncertain moment of inertia, so this paper studies the robust attitude cooperative control problem in these cases. By using adaptive control, two kinds of attitude cooperative controllers are designed when the parameters of hyperbolic tangent function and nonlinear saturation function change with time. Among them, the adaptive parameter estimation is introduced to identify the moment of inertia on-line to solve the robustness of the controller when the moment of inertia is uncertain. Then the stability of the system is proved, and the simulation software (Matlab / Simulink) is used to verify. From the simulation experiment, it can be seen that the uncertainty of external interference torque and moment of inertia can be effectively eliminated in the designed controller.

Key words: formation flying spacecraft; attitude cooperative control; control input limited; robust control; distributed cooperative control; adaptive

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景与研究意义 1

1.2姿态协同的研究现状 2

1.3基于行为的控制研究现状 3

1.4本文主要的内容和安排 4

第二章 航天器编队协同控制理论基础 5

2.1 引言 5

2.2 图论基础 5

2.3姿态描述法 6

2.3.1 方向余弦阵 6

2.3.2 欧拉角 6

2.3.3 欧拉轴/角 7

2.3.4 四元数 8

2.4 稳定性分析理论 9

2.4.1 稳定性理论 10

2.5 一致性算法 13

2.5.1 一阶一致性算法^[22] 13

2.5.2 二阶一致性算法 14

2.6 本章小结 14

第三章 输入受限的姿态协同控制 15

3.1 引言 15

3.2 模型建立及问题描述 15

3.2.1 姿态协同控制模型 15

3.2.2 姿态协同控制问题描述 16

3.3 无输入受限约束的姿态协同控制 16

3.3.1 无跟踪指令时的姿态一致性控制器 16

3.3.2 有跟踪指令时的姿态协同控制器 17

3.3.3 关于“PD ”姿态协同控制器(3-8)的几点讨论 19

3.4输入受限的全状态反馈姿态协同控制 21

3.4.1 基于一种非线性饱和函数^[23]的控制器设计 21

3.4.2 基于双曲正切函数的控制器设计 24

3.5 本章小结 26

第四章 基于行为的航天器编队姿态协同控制 27

4.1 引言 27

4.2 存在干扰力矩等情况下姿态协同控制器的设计 27

4.3转动惯量不确定等情况下自适应姿态协同控制器的设计 29

4.4 仿真验证 33

4.4.1 仿真条件设定 33

4.4.2 仿真结果 34

4.4 本章小结 37

第五章 总结与展望 38

5.1总结 38

5.2系统评价 38

5.3 展望 38

参考文献 39

致谢 42

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与研究意义

随着高新技术的快速发展，使得世界众多国家愈来愈重视多航天器编队飞行，如在国家自然科学基金支持热词上，航天器编队飞行技术就高居排行榜第5名，可见我国对航天器编队飞行技术的投入力度是如此之大，足以见证此项技术的发展前景之广阔^[1]。正如编队飞行航天器具有发射容易、所需费用较低、研发时间较短、小体形等相对于以往大航天器的优势，航天器编队技术正在成为解决未来空间任务愈来愈繁复的关键。因此，此项技术在以后的科学研究、外太空探索、地球地理地形的勘测等方面将会有不可小觑的非凡作用。

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