课题基金 / 基金详情

基于port-Hamiltonian系统的航天器集群高精度分布式控制方法研究

批准号:
62073343
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
陈琪锋
依托单位:
学科分类:
导航、制导与控制
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈琪锋

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
下一代分布式空间系统任务提出了以数十个或更多航天器组成集群,并实施高精度相对位置和姿态协同控制的要求。大规模集群控制难以集中式实现,以局部交互实施分布式控制成为必须。在控制器设计中采用高逼真度动力学模型是实现高精度控制的要求,也是减小由于模型误差引起的燃料消耗的需要。本项目基于port-Hamiltonian(pH)系统理论,利用其能量方法对复杂动力学系统的普适性,以及其网络化互联特征在分布式控制中的优势,解决复杂高逼真度动力学模型下航天器集群高精度分布式控制的难题。项目将构形设计与跟踪控制统一在高逼真度pH系统模型基础上,实现低燃料消耗、高精度地保持自然构形;通过网络化虚拟耦合、能量整形和积分作用等实现集群非自然构形的高精度分布式控制;采用pH系统建模与控制方法,实现包含飞轮动力学耦合的航天器集群姿态高精度分布式协同控制。研究工作将为高精度分布式空间系统集群协同控制提供新的有效理论方法。
英文摘要
Distributed space systems of the next generation put forward requirements of the use of tens or more spacecraft as a swarm and implementing high precision relative position and attitude control. It is difficult to implement coordinated control for large swarms in a centralized manner, and distributed control with local interaction becomes a must. To realize high control precision, it is necessary to use high fidelity model of the system dynamics in controller design. The use of high fidelity model is also important for reducing the fuel consumption caused by the model error in control. This research solves the difficult problem of high-precision distributed control of spacecraft swarms based on the port-Hamiltonian (pH) systems theory. The generality of the energy mechanism of the pH systems facilities the modeling and control of complex dynamical system, and the networked interconnection nature of the pH systems makes the pH control theory advantageous in distributed control. This research unifies the formation design and the formation tracking control on the basis of the same high fidelity pH model of the system dynamics, thus is able to keep natural formations in high precision with low fuel consumption. Non-natural formations are controlled distributedly with high precision through networked virtual coupling, energy shaping, and integral action. Considering the dynamics of the internal actuated flying wheels of the swarm spacecraft, the problem of high-precision distributed coordination and control of the spacecraft attitude is handled using the modeling and control theory of the pH systems. The research provides novel and effective theoretical methods for the coordination and control of high-precision distributed space systems.
航天器集群控制是航天领域的一个重要研究方向,而大规模航天器集群面临着燃料高消耗和通信高负荷等问题,对集群控制方法提出了新的挑战。本项目基于port-Hamiltonian系统,从航天器集群非自然构型控制、自然构型控制和姿态控制三个方面展开航天器集群高精度分布式控制方法研究。.针对航天器集群非自然构形高精度分布式控制问题,基于pH系统理论和能量整形技术建立了航天器集群pH相对运动模型,为实现航天器集群非自然构型的轨迹跟踪,通过广义正则变换将pH相对运动模型转换成pH无源误差系统;结合代数图论设计了航天器集群跟踪时变轨迹的分布式IDA-PBC控制方法,为了降低模型误差和外界扰动的影响,设计了航天器集群的分布式滑模控制器。.针对航天器集群自然构型高精度分布式控制问题,在pH框架下建立了椭圆轨道上具有J2摄动的航天器编队时变非线性相对运动模型,在分布式通信下基于一致性参数估计算法获取主航天器状态,建立了一致性参数估计下的状态误差模型;对一致性参数估计的期望pH系统进行了稳定性分析,根据时变状态误差设计了编队系统期望的哈密顿能量函数,并基于IDA-PBC控制方法推导了航天器编队的分布式控制律。.针对航天器集群姿态高精度分布式控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统,依据PH理论构造航天器和飞轮耦合系统的Hamiltonian能量函数,建立姿态动力学与飞轮动力学耦合的航天器集群pH系统模型;设计航天器编队误差系统的期望Hamiltonian函数,基于一致性估计算法和IDA-PBC方法实现了考虑飞轮动力学耦合的内驱动航天器集群姿态高精度分布式协同控制,此外,在飞轮耦合的基础上研究了姿轨耦合的航天器编队协同控制问题。.最后,基于设计的控制律进行航天器集群的高精度分布式控制仿真验证,仿真结果与预期相符。.本项目研究的理论和方法适用于高精度分布式空间系统任务需求,为实现具有复杂动力学规律的航天器集群高精度分布式控制,建立了基于pH系统的理论与方法基础。
航天器大规模集群飞行的分布式协调控制方法研究
  • 批准号:
    61273351
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    78.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    陈琪锋
  • 依托单位:
国内基金
海外基金