空间系绳系统姿态动力学与控制

发布时间：2017-10-29 19:31

  本文关键词：空间系绳系统姿态动力学与控制

  更多相关文章： 空间系绳系统 绳系卫星 姿态动力学 最优控制 非线性姿态控制

【摘要】：空间系绳系统是将两个或多个卫星通过系绳相连所构成的系统。由于其可以完成许多传统航天器无法完成的空间任务,因此吸引了全世界航天大国与很多研究者的关注。空间系绳系统实现具体空间任务的关键在于是否能将空间系绳系统中的末端载荷(即子星)精确稳定的展开到指定位置,以便使相关空间应用任务成功进行。如果在系绳展开阶段子星的空间姿态出现振荡现象无法稳定,将会对空间系绳系统的应用产生影响,甚至会使任务失败。因此本文主要对系绳展开阶段子星空间姿态的影响因素和子星空间姿态的稳定控制进行研究。论文的主要工作如下:1.在轨道运动坐标系下,计算空间系绳系统的动能、势能与广义力。使用经典的第二类拉格朗日方程,分别建立了不考虑子星空间姿态和考虑子星空间姿态的空间系绳系统模型。然后,通过使用欧拉—牛顿法在子星本体坐标系下建立子星空间姿态的运动学与动力学方程。2.在不考虑系绳面外运动的前提下设计了空间系绳系统改进型张力控制律,对考虑子星空间姿态的空间系绳系统模型以及子星空间姿态运动学与动力学模型分别在该控制律下进行仿真研究。然后对可能影响子星空间姿态的因素进行对比仿真,分析研究这些因素对子星空间姿态的影响。3.展开机构实现张力控制律时,由于扰动的存在不可避免地会产生误差,影响系绳的精确展开。因此本文针对该现象,设计了反馈绳长与速度的张力控制律对子星空间姿态运动进行研究,并仿真分析反馈系数变化对子星空间姿态产生的影响。根据最优控制的经典动态规划理论得到最优反馈系数,设计出最优反馈系数下的张力控制律,仿真结果表明最优反馈系数下的张力控制律可以较大程度抑制子星的空间姿态振荡。4.考虑子星空间姿态运动的非线性特征,利用Lyapunov稳定性理论设计了一种非线性子星姿态稳定控制器,仿真结果表明该控制器可以实现子星的空间姿态稳定。
【关键词】：空间系绳系统 绳系卫星 姿态动力学 最优控制 非线性姿态控制
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V412.42;V448.22
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 论文研究背景和意义9
• 1.2 空间系绳系统的研究现状9-12
• 1.2.1 空间系绳系统的发展概况9-10
• 1.2.2 空间系绳系统理论研究现状10-12
• 1.3 论文主要内容与结构12-15
• 第二章 空间系绳系统参考坐标系及空间干扰力矩15-21
• 2.1 引言15
• 2.2 空间系绳系统的参考坐标系15-18
• 2.2.1 参考坐标系的确定15-17
• 2.2.2 坐标系的转换17-18
• 2.3 空间干扰力矩18-20
• 2.3.1 系绳弹性力矩18
• 2.3.2 重力梯度力矩18-19
• 2.3.3 气动力矩19
• 2.3.4 剩磁力矩19-20
• 2.4 本章小结20-21
• 第三章 空间系绳系统数学模型的建立21-31
• 3.1 引言21
• 3.2 简单空间系绳系统的建模21-24
• 3.3 考虑子星空间姿态的空间系绳系统建模24-28
• 3.3.1 建模假设24
• 3.3.2 母星动能的计算24-25
• 3.3.3 子星动能的计算25-27
• 3.3.4 系统势能的计算27-28
• 3.4 子星相对其质心的运动28-30
• 3.4.1 建模假设28
• 3.4.2 子星姿态运动学方程的建立28-29
• 3.4.3 子星姿态动力学方程的建立29-30
• 3.5 本章小结30-31
• 第四章 系绳系统中子星空间姿态影响因素的分析31-53
• 4.1 引言31
• 4.2 系绳展开阶段的张力控制律设计31-32
• 4.3 考虑子星空间姿态的系统模型仿真分析32-38
• 4.3.1 仿真结果与分析32-36
• 4.3.2 母星质量对子星空间姿态影响的仿真分析36-38
• 4.4 子星空间姿态模型的仿真分析38-51
• 4.4.1 仿真结果与分析38-43
• 4.4.2 子星空间姿态影响因素的仿真分析43-51
• 4.4.3 考虑子星空间姿态两种模型的对比分析51
• 4.5 本章小结51-53
• 第五章 系绳展开阶段子星空间姿态的稳定控制53-69
• 5.1 引言53
• 5.2 子星空间姿态振荡的抑制53-61
• 5.2.1 子星空间姿态的仿真与分析53-56
• 5.2.2 最优反馈系数的设计56-58
• 5.2.3 子星空间姿态振荡抑制的仿真58-61
• 5.3 系绳展开阶段子星空间姿态的非线性稳定控制61-67
• 5.3.1 Lyapunov稳定性理论62
• 5.3.2 子星空间姿态非线性稳定控制器的设计62-64
• 5.3.3 仿真分析64-67
• 5.4 本章小结67-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 论文工作总结69
• 6.2 论文工作展望69-71
• 参考文献71-75
• 在校期间发表学术论文与研究成果75-77
• 致谢77-78

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本文编号：1114398