發(fā)布時(shí)間：2020-11-21 04:14

　　 當(dāng)系統(tǒng)模型精確已知時(shí),帶有指數(shù)參數(shù)的有限時(shí)間控制能使系統(tǒng)狀態(tài)在有限時(shí)間內(nèi)收斂到平衡點(diǎn)上,而漸近控制系統(tǒng)收斂到平衡點(diǎn)的時(shí)間在理論上是無(wú)窮的。在實(shí)際工程中,相比漸近控制(比如PID控制),有限時(shí)間控制具有收斂更快、精度更高且耗能更少等優(yōu)點(diǎn)。因此有限時(shí)間控制是一種優(yōu)于傳統(tǒng)漸近控制的高級(jí)控制方法。二階系統(tǒng)能表示很多實(shí)際控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,比如衛(wèi)星、車(chē)輛、船舶等運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)模型,對(duì)二階系統(tǒng)的有限時(shí)間控制理論研究,是研究高階有限時(shí)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(jì)的好壞直接影響著航天器姿態(tài)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo),甚至影響著整個(gè)航天任務(wù)能否正常完成。鑒于以上所述,本文針對(duì)一般二階系統(tǒng)及航天器姿態(tài)控制系統(tǒng),對(duì)連續(xù)有限時(shí)間控制相關(guān)的定義、定理、性能、分析方法以及設(shè)計(jì)方法等問(wèn)題開(kāi)展研究。主要章節(jié)的研究?jī)?nèi)容概括如下:研究有限時(shí)間控制的定義及意義。首先針對(duì)受干擾系統(tǒng),本文給出了有限時(shí)間收斂有界的定義,該定義能區(qū)分有限時(shí)間控制和漸近控制,進(jìn)而給出了有限時(shí)間控制的定義。其次提出擴(kuò)展局部有限時(shí)間穩(wěn)定定理和擴(kuò)展有限時(shí)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(shí)間狀態(tài)反饋控制。針對(duì)一般二階系統(tǒng),研究干擾存在時(shí)齊次控制不能分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的問(wèn)題,用Lyapunov方法證明在齊次控制器作用下,受擾動(dòng)系統(tǒng)為有限時(shí)間收斂有界;研究加冪積分控制參數(shù)約束大的問(wèn)題,提出了一種簡(jiǎn)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(jì)算收斂時(shí)間上界問(wèn)題,用加冪積分方法重新對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到有界的收斂時(shí)間上界數(shù)學(xué)表達(dá)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(duì)航天器有限時(shí)間姿態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題,在以上成果基礎(chǔ)上,分別設(shè)計(jì)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(shí)間收斂有界。研究有限時(shí)間輸出反饋控制。針對(duì)一類(lèi)具有任意次數(shù)誤差非線性項(xiàng)的一般二階系統(tǒng),設(shè)計(jì)有限時(shí)間觀測(cè)器觀測(cè)速度信息,根據(jù)是否考慮干擾分別分析觀測(cè)誤差系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對(duì)一類(lèi)具有任意次數(shù)非線性項(xiàng)的一般二階系統(tǒng),設(shè)計(jì)了有限時(shí)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�？紤]在軌航天器角速度測(cè)量裝置故障,或出于成本考慮未來(lái)小航天器上不安裝角速度測(cè)量裝置等情況,研究了無(wú)需角速度信息的有限時(shí)間姿態(tài)控制問(wèn)題。設(shè)計(jì)了有限時(shí)間角速度觀測(cè)器及有限時(shí)間輸出反饋?zhàn)藨B(tài)控制器,根據(jù)是否考慮干擾,分別分析了觀測(cè)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(jì)了有限時(shí)間輸出反饋?zhàn)藨B(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(shí)間狀態(tài)反饋控制。固定時(shí)間控制是一種特殊的有限時(shí)間控制,其收斂時(shí)間上界與初值無(wú)關(guān)。針對(duì)一般二階系統(tǒng),分別研究非奇異終端滑模固定時(shí)間控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題和加冪積分固定時(shí)間控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)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(duì)航天器姿態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題,分別設(shè)計(jì)了終端滑模固定時(shí)間姿態(tài)控制器,和加冪積分固定時(shí)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(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：V448.2
【部分圖文】：

第 3 章 二階系統(tǒng)的有限時(shí)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(shí)現(xiàn)更快的航天器姿態(tài)穩(wěn)定速度。表 3-1 四個(gè)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(shí)間(s) 10 12 11 19ω ( t)收斂到45 10 rad/s 的時(shí)間(s)11 12 13 15最大輸出量(Nm) 0.4 0.4 0.4 0.4時(shí)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(gè)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(gè)控制器對(duì)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(gè)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(xiàn)】

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本文編號(hào)：2892506