空间组合体的姿态控制与控制分配
发布时间：2023-03-26 12:55
从1957年人类第一颗人造卫星发射太空以来,现已有近万颗有效卫星在轨运行。一些卫星由于燃油耗尽或动力装置受损,导致其丧失姿态或轨道机动能力,造成巨大的经济损失。为延长这些失效卫星的在轨使用寿命,移除空间碎片,本文探讨了机械臂捕获失效卫星或空间碎片后形成组合体的相关控制问题。针对捕获后组合体的质心、质量特性以及执行器配置矩阵发生巨大改变这一背景,本文研究了组合体的姿态控制以及控制分配问题,主要内容包括:首先,建立了不同执行器下的组合体姿态动力学方程。针对推力器驱动的组合体,考虑捕获后组合体的质心和推力器配置矩阵发生变化,在组合体体坐标系下建立了组合体姿态动力学方程。同时,针对反作用飞轮驱动的组合体,考虑捕获后组合体的质心和反作用飞轮配置矩阵发生变化,基于动量守恒定律,在组合体体坐标系下建立了组合体姿态动力学方程。其次,考虑组合体质心以及质量特性已知且忽略外部扰动,研究了组合体姿态和姿态速度跟踪以及控制分配问题。基于比例微分反馈的直接参数方法设计了控制力矩。由于捕获前后组合体质心位置改变引起推力器配置矩阵改变,控制力矩需要重新分配。针对配置矩阵完全已知和存在误差的情形,分别提出了改进的基于...
【文章页数】：186 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题来源及研究背景和意义
1.1.1 课题来源
1.1.2 课题研究背景和意义
1.2 组合体姿态控制的研究现状
1.2.1 质量特性辨识
1.2.2 控制方法
1.2.3 预设控制
1.3 组合体控制分配的研究现状
1.3.1 一般控制分配
1.3.2 动态控制分配
1.3.3 鲁棒控制分配
1.4 本文主要研究内容及安排
第2章 组合体姿态动力学与运动学描述及预备知识
2.1 引言
2.2 参考坐标系及通用定义
2.3 组合体模型定义
2.4 质量特性辨识
2.5 组合体姿态运动学模型
2.6 组合体姿态动力学模型
2.6.1 推力器驱动的组合体姿态动力学模型
2.6.2 反作用飞轮驱动的组合体姿态动力学模型
2.7 预备知识
2.7.1 线性矩阵不等式的相关结论
2.7.2 最优控制的相关结论
2.8 本章小结
第3章 组合体姿态跟踪控制与鲁棒结构控制分配
3.1 引言
3.2 组合体姿态跟踪的直接参数化控制
3.2.1 问题描述
3.2.2 控制器设计
3.3 基于零空间的改进受限控制分配
3.4 鲁棒结构控制分配
3.5 仿真分析
3.5.1 直接参数化控制方法的有效性
3.5.2 基于零空间的改进受限控制分配法的优越性
3.5.3 鲁棒结构控制分配方法的有效性
3.6 本章小结
第4章 考虑惯量不确定的组合体姿态控制与控制分配
4.1 引言
4.2 角速度受限的组合体姿态跟踪控制与动态 ∞ 范数受限控制分配
4.2.1 问题描述
4.2.2 基于扰动观测器的受限反步控制律
4.2.3 动态 ∞ 范数受限控制分配
4.2.4 仿真分析
4.3 量测不确定下组合体姿态控制和鲁棒控制分配
4.3.1 问题描述
4.3.2 基于扰动观测器的动态面控制律
4.3.3 鲁棒控制分配
4.3.4 仿真分析
4.4 本章小结
第5章 组合体姿态预设控制和鲁棒动态控制分配
5.1 引言
5.2 问题描述
5.3 控制系统设计
5.3.1 带有预设性能的控制器设计
5.3.2 稳定性分析
5.4 鲁棒动态控制分配
5.5 仿真分析
5.5.1 组合体的去翻滚控制
5.5.2 组合体大角度机动
5.6 本章小结
第6章 组合体姿态容错预设跟踪控制
6.1 引言
6.2 问题描述
6.2.1 反作用飞轮驱动的组合体姿态跟踪模型
6.2.2 考虑执行器故障和饱和的组合体姿态跟踪模型
6.3 控制系统设计
6.3.1 非线性扩展状态观测器设计
6.3.2 容错控制器设计
6.3.3 稳定性分析
6.4 仿真分析
6.4.1 执行器正常的情形
6.4.2 执行器故障的情形
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
本文编号：3770996
【文章页数】：186 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题来源及研究背景和意义
1.1.1 课题来源
1.1.2 课题研究背景和意义
1.2 组合体姿态控制的研究现状
1.2.1 质量特性辨识
1.2.2 控制方法
1.2.3 预设控制
1.3 组合体控制分配的研究现状
1.3.1 一般控制分配
1.3.2 动态控制分配
1.3.3 鲁棒控制分配
1.4 本文主要研究内容及安排
第2章 组合体姿态动力学与运动学描述及预备知识
2.1 引言
2.2 参考坐标系及通用定义
2.3 组合体模型定义
2.4 质量特性辨识
2.5 组合体姿态运动学模型
2.6 组合体姿态动力学模型
2.6.1 推力器驱动的组合体姿态动力学模型
2.6.2 反作用飞轮驱动的组合体姿态动力学模型
2.7 预备知识
2.7.1 线性矩阵不等式的相关结论
2.7.2 最优控制的相关结论
2.8 本章小结
第3章 组合体姿态跟踪控制与鲁棒结构控制分配
3.1 引言
3.2 组合体姿态跟踪的直接参数化控制
3.2.1 问题描述
3.2.2 控制器设计
3.3 基于零空间的改进受限控制分配
3.4 鲁棒结构控制分配
3.5 仿真分析
3.5.1 直接参数化控制方法的有效性
3.5.2 基于零空间的改进受限控制分配法的优越性
3.5.3 鲁棒结构控制分配方法的有效性
3.6 本章小结
第4章 考虑惯量不确定的组合体姿态控制与控制分配
4.1 引言
4.2 角速度受限的组合体姿态跟踪控制与动态 ∞ 范数受限控制分配
4.2.1 问题描述
4.2.2 基于扰动观测器的受限反步控制律
4.2.3 动态 ∞ 范数受限控制分配
4.2.4 仿真分析
4.3 量测不确定下组合体姿态控制和鲁棒控制分配
4.3.1 问题描述
4.3.2 基于扰动观测器的动态面控制律
4.3.3 鲁棒控制分配
4.3.4 仿真分析
4.4 本章小结
第5章 组合体姿态预设控制和鲁棒动态控制分配
5.1 引言
5.2 问题描述
5.3 控制系统设计
5.3.1 带有预设性能的控制器设计
5.3.2 稳定性分析
5.4 鲁棒动态控制分配
5.5 仿真分析
5.5.1 组合体的去翻滚控制
5.5.2 组合体大角度机动
5.6 本章小结
第6章 组合体姿态容错预设跟踪控制
6.1 引言
6.2 问题描述
6.2.1 反作用飞轮驱动的组合体姿态跟踪模型
6.2.2 考虑执行器故障和饱和的组合体姿态跟踪模型
6.3 控制系统设计
6.3.1 非线性扩展状态观测器设计
6.3.2 容错控制器设计
6.3.3 稳定性分析
6.4 仿真分析
6.4.1 执行器正常的情形
6.4.2 执行器故障的情形
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
本文编号：3770996
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