空间绳系卫星系统的动力学与张力控制

发布时间：2017-05-01 01:06

  本文关键词：空间绳系卫星系统的动力学与张力控制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：空间绳系卫星系统近年来在地球及空间科学领域引起了广泛重视,在地球轨道转换、人造重力、近地观测及太空探索领域有广阔的应用前景。绳系的释放与回收控制作为绳系卫星系统控制的难点问题,研究其动力学及张力控制具有重要意义。空间绳系卫星系统动力学具有强非线性、弱耦合和欠输入驱动的特点,加之可获得的反馈信息有限,环境因素不确定及控制可靠性高的控制要求,研究其动力学及张力控制具有重要的理论意义和工程应用前景。本文将针对绳系卫星的动力学及张力控制进行研究,分别以“哑铃”模型和“链珠”模型研究非线性退步控制及分数阶控制方法,具体研究工作可以概括如下:首先,基于第二类拉格朗日方程建立起“哑铃”模型绳系卫星动力学方程,给出了无量纲形式的三维动力学模型,并基于平衡点附近的线性化方程回顾了经典线性状态反馈张力控制的控制特性,即通过引入绳长及其导数的线性状态反馈实现绳系卫星系统的稳定释放和回收。其次,通过对“哑铃”模型绳系卫星动力学的分析,将其转换为带有对称性的欠驱动拉格朗日系统,通过采用合适的微分同胚变换将其转化为严格反馈形式,从而通过backstepping控制器设计系统的张力控制,并考虑到实际工程的可实现性,计算出了控制反馈方程,并且通过数值仿真观察了效果。然后,充分利用分数阶微积分的历史记忆效果,同时考虑到经典张力控制无法同时兼顾快速性和无超调性的缺点,文中研究了分数阶张力控制,并给出了适用于工程实际的离散化控制器形式,仿真结果表明分数阶张力控制能够获得比整数阶更加快的释放时间同时保持无超调特性。最后,为了更加真实反映绳系卫星系统在张力控制下的控制效果,采用“链珠”模型对绳系系统进行了离散化。并对比研究了经典张力控制、backstepping控制、分数阶张力控制器作用下的绳系释放和回收的动力学响应。
【关键词】：绳系卫星 backstepping 分数阶 欠驱动系统
【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9-18
• 1.1 课题背景及研究意义9-11
• 1.1.1 课题背景9-10
• 1.1.2 空间绳系卫星系统研究意义10-11
• 1.2 绳系卫星系统研究现状11-15
• 1.2.1 绳系卫星系统理论研究进程与现状11-13
• 1.2.2 绳系卫星系统的在轨实验13-14
• 1.2.3 绳系卫星系统张力控制研究现状14-15
• 1.3 BACKSTEPPING控制方法研究现状15
• 1.4 分数阶控制方法研究现状15-16
• 1.5 本文主要内容及章节安排16-18
• 第2章 绳系卫星系统刚性模型的整数阶张力控制18-31
• 2.1 引言18
• 2.2 绳系卫星系统模型建立18-24
• 2.2.1 绳系卫星系统连续模型介绍18-20
• 2.2.2 绳系卫星系统坐标系的确定20-21
• 2.2.3 系统的动能与势能21-22
• 2.2.4 系统动力学方程22-24
• 2.3 基于刚性模型的整数阶张力控制24-29
• 2.3.1 刚性模型平衡点附近的近似线性化25-27
• 2.3.2 基于系统绳长及其导数的整数阶张力反馈设计27-29
• 2.4 本章小结29-31
• 第3章 基于BACKSTEPPING的绳系卫星系统张力控制31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 欠驱动绳系卫星控制系统的一般形式转换31-34
• 3.3 基于BACKSTEPPING的状态反馈控制设计34-36
• 3.4 BACKSTEPPING控制结果仿真与分析36-40
• 3.5 Backstepping 控制结果仿真与分析40-44
• 3.5.1 Backstepping 控制下的系统释放模型仿真40-42
• 3.5.2 Backstepping 控制下的系统回收模型仿真42-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第4章 绳系卫星系统张力分数阶控制设计45-54
• 4.1 引言45
• 4.2 绳系卫星系统分数阶控制器设计45-50
• 4.2.1 分数阶基本引理介绍45-47
• 4.2.2 分数阶控制器的稳定性分析47-49
• 4.2.3 分数阶张力控制器设计49-50
• 4.3 分数阶控制系统仿真50-53
• 4.3.1 分数阶张力控制下的系统释放模型仿真50-51
• 4.3.2 分数阶张力控制下的系统回收模型仿真51-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第5章 基于绳系卫星系统链珠模型的控制仿真54-65
• 5.1 引言54
• 5.2 绳系卫星系统离散链珠模型设计54-58
• 5.3 链珠增减情况分析58-60
• 5.4 绳系卫星离散链珠系统仿真60-64
• 5.4.1 整数阶张力控制仿真60-61
• 5.4.2 Backstepping张力控制仿真61-62
• 5.4.3 分数阶张力控制仿真62-64
• 5.5 本章小结64-65
• 结论65-67
• 参考文献67-73
• 致谢73-74

【参考文献】

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1 崔乃刚，，刘暾，林晓辉，赵辰洙;基于椭圆轨道的绳系卫星伸展及释放过程仿真研究[J];哈尔滨工业大学学报;1996年04期

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本文编号：337932