Drag-free双星编队系统的控制方法研究

发布时间：2017-10-17 20:46

  本文关键词：Drag-free双星编队系统的控制方法研究

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【摘要】：地球重力场的高精度数据和时变信息对于地球现代研究具有重要意义,Dragfree卫星以其可提供超低微重力水平平台为地球高精密信息的获取提供了有利条件,而Drag-free卫星编队由于采用协同工作的方式,在高精密空间科学探测任务中具有更加重要的运用价值。本文以Drag-free双星编队控制系统为对象,对编队卫星在轨运行过程中的相对位置控制与干扰抑制问题进行了研究。为实现Drag-free双星编队控制与Drag-free控制系统的频带隔离需求,设计了基于定量反馈理论(Quantitative Feedback Theory,QFT)的编队控制算法。首先对比分析了基于QFT的对角型控制和非对角型控制算法,证明了后者解耦效果的优越性;接着针对非主从式Drag-free双星编队卫星相对动力学模型,设计了基于QFT的非对角型控制算法,结合系统频域和时域指标,分别实现了期望状态参考跟踪和输入干扰抑制;通过数学仿真结果验证了算法的有效性。为分离Drag-free双星编队动力学模型的强耦合关联特性的影响,设计了基于特征结构配置理论的状态反馈动态解耦控制算法。首先,通过动态解耦将编队动力学模型转化为弱耦合动力学模型,接着基于特征结构配置设计了状态反馈控制算法,最后对算法进行了数学仿真验证,仿真结果表明算法具有良好的动态特性,满足期望的要求。为提高带有参数不确定性和干扰的Drag-free双星编队控制系统的鲁棒性,降低算法的收敛时间,提高探测任务的可靠性,设计了有限时间控制算法。首先,针对Drag-free双星编队模型设计了基于参数自适应辨识的实际有限时间控制算法,通过数学仿真验证了算法的控制效果;然后,为处理双星编队系统中存在的干扰,针对模型中的动态干扰设计了非线性鲁棒干扰观测器,对设计的自适应控制算法进行补偿,增强算法的鲁棒性和干扰抑制能力,通过数学仿真表明了改进控制算法的有效性。
【关键词】：Drag-free卫星 卫星编队控制 定量反馈控制 特征结构配置 有限时间控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题背景9-10
• 1.1.1 课题来源9
• 1.1.2 研究的目的和意义9-10
• 1.2 国内外相关研究现状10-17
• 1.2.1 Drag-free卫星控制概述10-12
• 1.2.2 Drag-free卫星编队研究现状12-16
• 1.2.3 Drag-free卫星编队控制研究16-17
• 1.3 主要研究内容及章节安排17-19
• 第2章 Drag-free双星编队动力学建模与分析19-34
• 2.1 引言19
• 2.2 卫星坐标系与轨道描述19-23
• 2.3 主从式双星编队控制动力学探讨23-26
• 2.3.1 空间圆形编队动力学模型24-26
• 2.3.2 椭圆轨道编队动力学模型26
• 2.4 非主从式双星编队控制动力学模型26-33
• 2.4.1 编队动力学模型建立27-29
• 2.4.2 J2 项摄动影响分析29-30
• 2.4.3 Drag-free双星编队模型简化30-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 基于非对角型QFT的双星编队控制算法设计34-53
• 3.1 引言34
• 3.2 非对角QFT控制算法34-44
• 3.2.1 非对角型QFT设计思想34-38
• 3.2.2 耦合矩阵与解耦效果38-43
• 3.2.3 综合设计方法43-44
• 3.3 基于非对角型QFT的编队控制算法实现44-52
• 3.3.1 编队控制模型描述44-46
• 3.3.2 控制目标与约束46-47
• 3.3.3 非对角型QFT控制器设计47-50
• 3.3.4 仿真验证与分析50-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 基于特征结构配置的双星编队控制算法设计53-66
• 4.1 引言53
• 4.2 特征结构配置定义53-54
• 4.3 动态解耦控制综合算法54-57
• 4.3.1 动态解耦控制问题54-56
• 4.3.2 动态解耦控制算法设计56-57
• 4.4 基于特征结构配置的编队控制算法实现57-65
• 4.4.1 特征结构配置算法57-59
• 4.4.2 控制器设计59-62
• 4.4.3 仿真验证与分析62-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第5章 双星编队系统的有限时间控制器设计66-82
• 5.1 引言66
• 5.2 有限时间稳定控制定义66-68
• 5.3 自适应PFTC算法设计68-75
• 5.3.1 编队控制问题重述68
• 5.3.2 PFTC算法设计68-72
• 5.3.3 仿真验证与分析72-75
• 5.4 补偿PFTC算法设计75-81
• 5.4.1 非线性鲁棒干扰观测器75-77
• 5.4.2 基于观测器的PFTC算法设计77-79
• 5.4.3 仿真验证与分析79-81
• 5.5 本章小结81-82
• 结论82-84
• 参考文献84-89
• 攻读学位期间发表的学术论文89-91
• 致谢91

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 赵倩;姜卫平;徐新禹;郭靖;;GRACE卫星重力场解算中混频误差影响的探讨[J];大地测量与地球动力学;2011年04期

2 高云峰,宝音贺西,李俊峰;卫星编队飞行中C-W方程与轨道根数法的比较[J];应用数学和力学;2003年08期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 赵倩;利用卫星编队探测地球重力场的方法研究与仿真分析[D];武汉大学;2012年

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本文编号：1050971