發(fā)布時間：2020-11-21 04:14

　　 當(dāng)系統(tǒng)模型精確已知時,帶有指數(shù)參數(shù)的有限時間控制能使系統(tǒng)狀態(tài)在有限時間內(nèi)收斂到平衡點上,而漸近控制系統(tǒng)收斂到平衡點的時間在理論上是無窮的。在實際工程中,相比漸近控制(比如PID控制),有限時間控制具有收斂更快、精度更高且耗能更少等優(yōu)點。因此有限時間控制是一種優(yōu)于傳統(tǒng)漸近控制的高級控制方法。二階系統(tǒng)能表示很多實際控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,比如衛(wèi)星、車輛、船舶等運動體運動模型,對二階系統(tǒng)的有限時間控制理論研究,是研究高階有限時間控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)是典型的二階非線性系統(tǒng),也是航天器系統(tǒng)的重要組成部分,其控制方案設(shè)計的好壞直接影響著航天器姿態(tài)系統(tǒng)的各項性能指標(biāo),甚至影響著整個航天任務(wù)能否正常完成。鑒于以上所述,本文針對一般二階系統(tǒng)及航天器姿態(tài)控制系統(tǒng),對連續(xù)有限時間控制相關(guān)的定義、定理、性能、分析方法以及設(shè)計方法等問題開展研究。主要章節(jié)的研究內(nèi)容概括如下:研究有限時間控制的定義及意義。首先針對受干擾系統(tǒng),本文給出了有限時間收斂有界的定義,該定義能區(qū)分有限時間控制和漸近控制,進而給出了有限時間控制的定義。其次提出擴展局部有限時間穩(wěn)定定理和擴展有限時間收斂有界定理,相比傳統(tǒng)定理,新定理具有更好的適用性與更小的保守性。研究有限時間狀態(tài)反饋控制。針對一般二階系統(tǒng),研究干擾存在時齊次控制不能分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題,用Lyapunov方法證明在齊次控制器作用下,受擾動系統(tǒng)為有限時間收斂有界;研究加冪積分控制參數(shù)約束大的問題,提出了一種簡化控制參數(shù)方法,并根據(jù)是否考慮干擾分別分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;研究經(jīng)典非奇異終端滑模不能計算收斂時間上界問題,用加冪積分方法重新對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析,得到有界的收斂時間上界數(shù)學(xué)表達式,并根據(jù)是否考慮干擾分別分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對航天器有限時間姿態(tài)穩(wěn)定問題,在以上成果基礎(chǔ)上,分別設(shè)計了齊次姿態(tài)控制器、加冪積分姿態(tài)控制器和非奇異終端滑模姿態(tài)控制器,在考慮干擾情況下,證明姿態(tài)系統(tǒng)為有限時間收斂有界。研究有限時間輸出反饋控制。針對一類具有任意次數(shù)誤差非線性項的一般二階系統(tǒng),設(shè)計有限時間觀測器觀測速度信息,根據(jù)是否考慮干擾分別分析觀測誤差系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對一類具有任意次數(shù)非線性項的一般二階系統(tǒng),設(shè)計了有限時間輸出反饋濾波控制器,根據(jù)是否考慮干擾分別分析二階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。考慮在軌航天器角速度測量裝置故障,或出于成本考慮未來小航天器上不安裝角速度測量裝置等情況,研究了無需角速度信息的有限時間姿態(tài)控制問題。設(shè)計了有限時間角速度觀測器及有限時間輸出反饋姿態(tài)控制器,根據(jù)是否考慮干擾,分別分析了觀測誤差系統(tǒng)及整體閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外還設(shè)計了有限時間輸出反饋姿態(tài)濾波控制器,同樣根據(jù)是否考慮干擾,分別分析了姿態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。研究固定時間狀態(tài)反饋控制。固定時間控制是一種特殊的有限時間控制,其收斂時間上界與初值無關(guān)。針對一般二階系統(tǒng),分別研究非奇異終端滑模固定時間控制器的設(shè)計問題和加冪積分固定時間控制器的設(shè)計問題,并根據(jù)是否考慮干擾分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然后針對航天器姿態(tài)穩(wěn)定問題,分別設(shè)計了終端滑模固定時間姿態(tài)控制器,和加冪積分固定時間姿態(tài)控制器,并根據(jù)是否考慮干擾分析了姿態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V448.2
【部分圖文】：

第 3 章 二階系統(tǒng)的有限時間狀態(tài)反饋控制控制器和加冪積分控制器的仿真結(jié)果最好，其消耗更少的能量實現(xiàn)更快的航天器姿態(tài)穩(wěn)定速度。表 3-1 四個控制器的性能Table 3-1 The comparison of the four controllersHC AAIPC CNTSMC PDCq ( t)收斂到45 10 的時間(s) 10 12 11 19ω ( t)收斂到45 10 rad/s 的時間(s)11 12 13 15最大輸出量(Nm) 0.4 0.4 0.4 0.4時間 60s 內(nèi)消耗的能量 (2 2N m s ) 0.51 0.5 0.63 0.79

圖 3-4 四個控制器作用下角速度 ω ( t)的響應(yīng)曲線Fig. 3-4 Time responses of angular velocity ω ( t)under four controllersTime (s) Time (s)(a) HC (b) AAPICTime (s) Time (s)(c) CNTSMC (d) PDC圖 3-5 四個控制器對應(yīng)的控制力矩Fig. 3-5 Torques of the four controllers

Time (s) Time (s)(a) HC (b) AAPICTime (s) Time (s)(c) CNTSMC (d) PDC圖 3-4 四個控制器作用下角速度 ω ( t)的響應(yīng)曲線Fig. 3-4 Time responses of angular velocity ω ( t)under four controllers
【參考文獻】

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本文編號：2892506