航天器临近操作位姿一体化控制若干问题研究
发布时间：2020-07-10 15:01
【摘要】：随着空间科学技术的蓬勃发展,航天器在轨任务的复杂性和多样性需求也与日俱增。可靠的轨道与姿态控制是航天器实现所有空间任务的基础保证。对于传统的单航天器系统,标准做法是将其轨道与姿态控制器单独设计;但为实施新兴的多航天器临近操作任务,追踪航天器通常需同时进行对目标航天器的相对位置跟踪和姿态同步。本文致力于解决两航天器相对运动位姿一体化控制问题,相关理论结果可为诸如绕飞、悬停、在轨监测或装配、燃料加注、交会对接、空间对抗等在内的临近操作任务的成功实施提供先决条件。本文以实现航天器位姿一体化控制为总体目标,并充分考虑临近操作任务中可能会面临的不确定性和外部干扰、输入约束、高精度控制和快速机动以及执行机构故障等实际问题,设计了多个位姿一体化控制方案,具体来说:首先,将航天器临近操作任务划分为轨道调整、绕飞和交会对接三个阶段。考虑到在轨道调整阶段由于轨道半径和轨道倾角的改变所产生的的持续变化的空间干扰不确定性问题,引入一个动态补偿器来克服扰动带来的不确定性。将相对轨道控制的扰动抑制问题转化为一类特殊非线性系统的全局镇定问题,通过综合运用内模理论和鲁棒控制理论,保证了闭环系统的全局渐近稳定。其次,针对具有输入约束和外部干扰的位姿一体化跟踪控制问题,通过建立一个耦合的六自由度相对运动动力学模型来描述绕飞任务。在此基础上,设计了一种基于输入-状态稳定性的基本控制器。为处理输入饱和问题,引入了一种新的基于死区算子的饱和模型。然后,结合自适应技术与反步法理论,提出了一种不需要外部扰动上界先验知识的饱和控制方案。然后,针对存在系统不确定性和外部扰动的航天器交会对接位姿一体化控制任务,利用非奇异积分终端滑模方法,提出了一种新的有限时间控制方案。特别是通过采用自适应技术,所提出的控制策略避免了对集总系统不确定性上界的先验知识的要求,并且证明了所设计的控制器能够保证平移和旋转跟踪误差在有限时间内局部收敛于零。此外,利用边界层技术对抖振现象进行了有效的修正。最后,针对具有执行机构故障的临近操作位姿一体化控制问题,改进六自由度动力学模型,使其可以描述包括部分失效、输出漂移、完全失效和卡死在内的典型执行机构故障类型。随后,提出了一种基本的鲁棒容错控制器,以调节执行器的故障并且保证系统的全局渐近稳定。在此基础上,充分考虑可能的输入饱和现象,设计了一种新颖的自适应容错控制方案。进一步证明了该控制器在输入饱和的情况下仍具有容错能力,并保证了相对位姿跟踪误差收敛到原点附近。论文对上述所提出的各种航天器位姿一体化控制方案开展了充分的数值仿真,验证了所设计算法的有效性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.2
【图文】：
航天器临近操作是指在空间操作任务中，某个在轨航天器因特定任务的需逡逑要，谨慎地与另一空间目标维持较近的相对距离以及特定的相对姿态，以备后续逡逑操作［３，４］。根据这一定义，如图１．１所示，这类空间操作包括由一在轨航天器自主逡逑１逡逑
因为任务与控制目标相对独立，在过去的文献里，标准做法是将其轨道逡逑运动和姿态运动单独建模，然后再基于各自模型分开进行控制律设计，其控制系逡逑统框图如图１．２所示。逡逑；逦航夭器轨ｉｔ控制系统邋逦邋；逡逑！逦扰动力逡逑ｉ逡逑！逦；逡逑ｉ逦ｉ逡逑Ｉ逦？逡逑！逦逦１逦位置与线速度信息逦Ｉ逡逑逦传感器逦；逡逑ｉ逦Ｌ￣Ｊ逦；逡逑！逦航天器姿态控制系统逦丨逡逑Ｉ逦邋邋＜逡逑；逦扰动力矩逦Ｉ逡逑ｉ逦V湾澹纾纾徨澹瑁哄义希殄危慑义希慑危垮义希慑危垮义希苠危垮义希慑危垮义希诲五危颍蓿颍椤垮义希慑危睿恚酰睿酰睿樨插危煎义希慑危垮义襄五邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋澹咤澹咤濉濉濉澹咤濉濉濉濉濉邋邋邋邋濉濉濉濉濉澹叔义贤迹保泊澈教炱骺刂葡低冲义险庵纸诠旌教炱鞯墓斓涝硕妥颂硕胺侄沃钡乃枷爰蚧松杓棋义系母丛佣龋⑶矣捎谄浞洗车ズ教炱鞯娜挝裉氐悖蚨甘甑姆⒄梗义显谙喙乜刂评砺哿煊蚝褪导使こ逃τ弥卸蓟哿朔崴兜某晒Ｋ孀藕教炱麇义瞎斓揽刂坪妥颂刂频燃际醯娜涨鞒墒煊肟占渚赫闹鸾ド
本文编号：2749079
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.2
【图文】：
航天器临近操作是指在空间操作任务中，某个在轨航天器因特定任务的需逡逑要，谨慎地与另一空间目标维持较近的相对距离以及特定的相对姿态，以备后续逡逑操作［３，４］。根据这一定义，如图１．１所示，这类空间操作包括由一在轨航天器自主逡逑１逡逑
因为任务与控制目标相对独立，在过去的文献里，标准做法是将其轨道逡逑运动和姿态运动单独建模，然后再基于各自模型分开进行控制律设计，其控制系逡逑统框图如图１．２所示。逡逑；逦航夭器轨ｉｔ控制系统邋逦邋；逡逑！逦扰动力逡逑ｉ逡逑！逦；逡逑ｉ逦ｉ逡逑Ｉ逦？逡逑！逦逦１逦位置与线速度信息逦Ｉ逡逑逦传感器逦；逡逑ｉ逦Ｌ￣Ｊ逦；逡逑！逦航天器姿态控制系统逦丨逡逑Ｉ逦邋邋＜逡逑；逦扰动力矩逦Ｉ逡逑ｉ逦V湾澹纾纾徨澹瑁哄义希殄危慑义希慑危垮义希慑危垮义希苠危垮义希慑危垮义希诲五危颍蓿颍椤垮义希慑危睿恚酰睿酰睿樨插危煎义希慑危垮义襄五邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋澹咤澹咤濉濉濉澹咤濉濉濉濉濉邋邋邋邋濉濉濉濉濉澹叔义贤迹保泊澈教炱骺刂葡低冲义险庵纸诠旌教炱鞯墓斓涝硕妥颂硕胺侄沃钡乃枷爰蚧松杓棋义系母丛佣龋⑶矣捎谄浞洗车ズ教炱鞯娜挝裉氐悖蚨甘甑姆⒄梗义显谙喙乜刂评砺哿煊蚝褪导使こ逃τ弥卸蓟哿朔崴兜某晒Ｋ孀藕教炱麇义瞎斓揽刂坪妥颂刂频燃际醯娜涨鞒墒煊肟占渚赫闹鸾ド
本文编号：2749079
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