空间飞行器大角度姿态机动控制能量优化

发布时间：2021-12-11 19:27

　　空间飞行器姿态控制系统以开关式小推力器为执行机构,为实现该飞行器在执行Rest-to-Rest大角度姿态机动任务的过程中消耗燃料最小化,从姿态控制律设计和姿态机动指令设计两方面出发进行能量优化.首先,给出了空间飞行器6个脉冲式姿控发动机布局,建立了用四元数描述的空间飞行器大角度姿态机动非线性控制系统的数学模型.在此数学模型的基础上,设计了一种空间飞行器三轴大角度姿态机动非线性PD控制律,并用Lyapunov方法证明了非线性姿态控制系统的稳定性.设计了三轴姿态控制中6个脉冲式姿控发动机的分配逻辑.为了配合开关式小推力器以脉冲宽度调制方式近似输出连续型控制量并减少燃料消耗,在非线性PD控制律中引入了3个开关门限,并应用粒子群与遗传算法优化选取这些开关门限.在Rest-To-Rest的大角度姿态机动指令设计中,提出了一种令欧拉角匀速变化的角速度和四元数指令规划方法,提高了姿态控制系统的瞬态响应品质,并相对于阶跃型指令明显减少燃料消耗.结果表明,数值仿真验证了非线性控制律的开关门限设计,以及Rest-To-Rest的大角度姿态机动指令设计在减少燃料消耗方面的有效性. 

【文章来源】：哈尔滨工业大学学报. 2020,52(12)北大核心EICSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

空间飞行器姿控发动机布局

姿控发动机推力上升和下降动态特性

无开关门限情况下,图3所示的俯仰角变化过程表明,在大约前155 s,姿控系统跟踪指令的过程良好,但155 s时燃料耗尽,姿控系统发散,无法继续跟踪姿态指令.图4显示的俯仰角速度指令跟踪过程也呈现同样情况. 图5显示的姿态角的跟踪误差在前155 s均小于0.5°,但155 s后发散.偏航角和滚转角的控制也表现出同样的特性.图4 俯仰角速率指令和实际值变化情况(无开关门限)

【参考文献】：
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本文编号：3535257