航天器姿轨一体化建模与控制方法研究
发布时间：2021-04-11 14:40
航天器姿态和轨道运动的动力学建模与控制方法是航天任务成功与否的关键,随着近年来交会对接、编队飞行等新型航天任务的出现,传统的将姿态运动与轨道运动分开建模、独立控制的处理模式由于无法充分考虑姿轨运动间的相互影响,已不能很好地满足任务需求。为此,本论文以突破航天器姿态和轨道分开建模、独立控制的传统处理方式,探索航天器姿轨一体化相对运动的建模和控制的新方法为研究目的展开研究,主要内容包括:针对航天器姿轨一体化动力学建模和跟踪控制问题,选择Lie群SE（3）上指数坐标这一数学工具,以该指数坐标描述航天器姿态和位置跟踪误差,考虑模型不确定性以及外部干扰等因素影响,建立了航天器姿轨一体化相对耦合动力学模型。然后基于建立的模型,设计了快速终端滑模面,提出了一般的姿轨一体化滑模控制器和自适应滑模控制器,以保证航天器完成对期望的姿轨状态的跟踪,其中自适应项可以替代传统滑模控制中的符号函数项,有效降低了系统抖振。采用Lyapunov方法严格证明了两种控制算法均能保证闭环系统的渐近稳定性。最后,通过数值仿真与结果分析验证了所提出的两种控制算法的有效性。在考虑执行机构动力学特性（执行机构安装方案、输出饱和、输...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.1.1 课题背景
1.1.2 研究的目的和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 航天器姿态和轨道运动一体化建模方法研究现状
1.2.2 航天器姿轨一体化控制方法研究现状
1.2.3 航天器姿轨一体化轨迹优化方法研究现状
1.2.4 编队飞行航天器姿轨一体化协同控制方法研究现状
1.3 本文主要研究内容
第2章 航天器姿轨一体化建模与控制的相关理论基础
2.1 引言
2.2 航天器数学模型
2.2.1 坐标系定义
2.2.2 数学符号说明
2.2.3 姿态表示方法
2.3 非线性控制理论基础
2.3.1 稳定性理论
2.3.2 滑模控制
2.3.3 有限时间控制
2.4 本章小结
第3章 航天器姿轨一体化动力学建模与轨迹跟踪控制
3.1 引言
3.2 航天器轨迹跟踪系统姿轨一体化相对动力学模型
3.2.1 单航天器姿轨一体化动力学模型
3.2.2 航天器姿轨一体化相对动力学模型
3.3 航天器姿轨一体化轨迹跟踪控制器
3.4 数学仿真与分析
3.5 本章小结
第4章 执行机构输出饱和的姿轨一体化轨迹跟踪控制
4.1 引言
4.2 考虑执行机构动力学特性的姿轨一体化相对动力学模型
4.3 基于扩展状态观测器的自适应事件驱动滑模控制器设计
4.3.1 基于高阶滑模控制的扩展状态观测器
4.3.2 自适应事件驱动滑模控制器
4.4 数学仿真与分析
4.5 本章小结
第5章 航天器多脉冲轨道转移的姿轨联合控制
5.1 引言
5.2 问题描述
5.2.1 脉冲推力航天器轨道动力学
5.2.2 跟踪航天器相对姿态动力学
5.2.3 约束条件处理
5.2.4 优化目标
5.3 基于粒子群算法的轨道转移优化轨迹
5.3.1 传统的粒子群算法
5.3.2 改进的粒子群算法
5.4 有限时间姿态控制器设计及稳定性分析
5.5 数学仿真与分析
5.5.1 传统粒子群与改进粒子群算法的对比
5.5.2 实际轨迹与理想轨迹的对比
5.6 本章小结
第6章 编队航天器姿轨一体化有限时间协同控制
6.1 引言
6.2 编队航天器姿轨一体化相对动力学模型
6.3 考虑避免碰撞的自适应有限时间滑模控制器设计
6.3.1 自适应有限时间控制器设计
6.3.2 考虑避免碰撞的控制器设计
6.4 数学仿真与分析
6.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于有限状态机的交会对接飞行任务规划方法[J]. 杨胜,王鑫哲,李蒙. 北京航空航天大学学报. 2019(09)
[2]基于Gauss伪谱法的欠驱动航天器姿态优化控制[J]. 易中贵,戈新生. 应用数学和力学. 2017(12)
[3]考虑避障的航天器编队轨道容错控制律设计[J]. 马广富,董宏洋,胡庆雷. 航空学报. 2017(10)
[4]多脉冲异面交会对接转移轨道的优化[J]. 刘源,叶潇,郝勇,李玉玲. 光学精密工程. 2017(04)
[5]面向非沿迹成像的姿态跟踪扩展观测器滑模控制[J]. 叶东,屠园园,孙兆伟. 宇航学报. 2016(06)
[6]粒子群优化算法的性能分析和参数选择[J]. 王东风,孟丽. 自动化学报. 2016(10)
[7]与自由翻滚目标近距离段交会对接的相对姿轨耦合控制[J]. 姜博严,胡庆雷,石忠,马广富. 宇航学报. 2014(01)
[8]带时延和拓扑切换的编队卫星鲁棒协同控制[J]. 张保群,宋申民,陈兴林. 宇航学报. 2012(07)
[9]基于滚动优化和微分Theta-D方法的快速绕飞航天器姿轨协同控制[J]. 朱志斌,李果,何英姿,魏春岭. 宇航学报. 2012(02)
[10]有限时间控制问题综述[J]. 丁世宏,李世华. 控制与决策. 2011(02)
博士论文
[1]航天器姿态鲁棒控制方法研究[D]. 刘闯.哈尔滨工业大学 2019
[2]卫星快速姿态机动控制方法研究[D]. 李由.哈尔滨工业大学 2017
[3]多航天器编队飞行分布式协同控制[D]. 郑重.哈尔滨工业大学 2014
[4]执行器故障的航天器姿态容错控制[D]. 肖冰.哈尔滨工业大学 2014
[5]航天器姿轨一体化动力学建模、控制与导航方法研究[D]. 王剑颖.哈尔滨工业大学 2013
[6]航天器近距离运动的鲁棒姿轨联合控制[D]. 张烽.哈尔滨工业大学 2013
[7]飞行器轨道交会和轨道转移的两点边值问题[D]. 张刚.哈尔滨工业大学 2012
[8]对偶四元数导航算法与非线性高斯滤波研究[D]. 武元新.国防科学技术大学 2005
硕士论文
[1]航天器编队姿态协同跟踪滑模/神经网络控制[D]. 甘超.北京理工大学 2015
[2]飞行机器人轨迹跟踪控制的几何方法研究[D]. 史晓宁.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3131439
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.1.1 课题背景
1.1.2 研究的目的和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 航天器姿态和轨道运动一体化建模方法研究现状
1.2.2 航天器姿轨一体化控制方法研究现状
1.2.3 航天器姿轨一体化轨迹优化方法研究现状
1.2.4 编队飞行航天器姿轨一体化协同控制方法研究现状
1.3 本文主要研究内容
第2章 航天器姿轨一体化建模与控制的相关理论基础
2.1 引言
2.2 航天器数学模型
2.2.1 坐标系定义
2.2.2 数学符号说明
2.2.3 姿态表示方法
2.3 非线性控制理论基础
2.3.1 稳定性理论
2.3.2 滑模控制
2.3.3 有限时间控制
2.4 本章小结
第3章 航天器姿轨一体化动力学建模与轨迹跟踪控制
3.1 引言
3.2 航天器轨迹跟踪系统姿轨一体化相对动力学模型
3.2.1 单航天器姿轨一体化动力学模型
3.2.2 航天器姿轨一体化相对动力学模型
3.3 航天器姿轨一体化轨迹跟踪控制器
3.4 数学仿真与分析
3.5 本章小结
第4章 执行机构输出饱和的姿轨一体化轨迹跟踪控制
4.1 引言
4.2 考虑执行机构动力学特性的姿轨一体化相对动力学模型
4.3 基于扩展状态观测器的自适应事件驱动滑模控制器设计
4.3.1 基于高阶滑模控制的扩展状态观测器
4.3.2 自适应事件驱动滑模控制器
4.4 数学仿真与分析
4.5 本章小结
第5章 航天器多脉冲轨道转移的姿轨联合控制
5.1 引言
5.2 问题描述
5.2.1 脉冲推力航天器轨道动力学
5.2.2 跟踪航天器相对姿态动力学
5.2.3 约束条件处理
5.2.4 优化目标
5.3 基于粒子群算法的轨道转移优化轨迹
5.3.1 传统的粒子群算法
5.3.2 改进的粒子群算法
5.4 有限时间姿态控制器设计及稳定性分析
5.5 数学仿真与分析
5.5.1 传统粒子群与改进粒子群算法的对比
5.5.2 实际轨迹与理想轨迹的对比
5.6 本章小结
第6章 编队航天器姿轨一体化有限时间协同控制
6.1 引言
6.2 编队航天器姿轨一体化相对动力学模型
6.3 考虑避免碰撞的自适应有限时间滑模控制器设计
6.3.1 自适应有限时间控制器设计
6.3.2 考虑避免碰撞的控制器设计
6.4 数学仿真与分析
6.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于有限状态机的交会对接飞行任务规划方法[J]. 杨胜,王鑫哲,李蒙. 北京航空航天大学学报. 2019(09)
[2]基于Gauss伪谱法的欠驱动航天器姿态优化控制[J]. 易中贵,戈新生. 应用数学和力学. 2017(12)
[3]考虑避障的航天器编队轨道容错控制律设计[J]. 马广富,董宏洋,胡庆雷. 航空学报. 2017(10)
[4]多脉冲异面交会对接转移轨道的优化[J]. 刘源,叶潇,郝勇,李玉玲. 光学精密工程. 2017(04)
[5]面向非沿迹成像的姿态跟踪扩展观测器滑模控制[J]. 叶东,屠园园,孙兆伟. 宇航学报. 2016(06)
[6]粒子群优化算法的性能分析和参数选择[J]. 王东风,孟丽. 自动化学报. 2016(10)
[7]与自由翻滚目标近距离段交会对接的相对姿轨耦合控制[J]. 姜博严,胡庆雷,石忠,马广富. 宇航学报. 2014(01)
[8]带时延和拓扑切换的编队卫星鲁棒协同控制[J]. 张保群,宋申民,陈兴林. 宇航学报. 2012(07)
[9]基于滚动优化和微分Theta-D方法的快速绕飞航天器姿轨协同控制[J]. 朱志斌,李果,何英姿,魏春岭. 宇航学报. 2012(02)
[10]有限时间控制问题综述[J]. 丁世宏,李世华. 控制与决策. 2011(02)
博士论文
[1]航天器姿态鲁棒控制方法研究[D]. 刘闯.哈尔滨工业大学 2019
[2]卫星快速姿态机动控制方法研究[D]. 李由.哈尔滨工业大学 2017
[3]多航天器编队飞行分布式协同控制[D]. 郑重.哈尔滨工业大学 2014
[4]执行器故障的航天器姿态容错控制[D]. 肖冰.哈尔滨工业大学 2014
[5]航天器姿轨一体化动力学建模、控制与导航方法研究[D]. 王剑颖.哈尔滨工业大学 2013
[6]航天器近距离运动的鲁棒姿轨联合控制[D]. 张烽.哈尔滨工业大学 2013
[7]飞行器轨道交会和轨道转移的两点边值问题[D]. 张刚.哈尔滨工业大学 2012
[8]对偶四元数导航算法与非线性高斯滤波研究[D]. 武元新.国防科学技术大学 2005
硕士论文
[1]航天器编队姿态协同跟踪滑模/神经网络控制[D]. 甘超.北京理工大学 2015
[2]飞行机器人轨迹跟踪控制的几何方法研究[D]. 史晓宁.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3131439
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3131439.html
