冗余配置航天器推力动态分配方法研究

发布时间：2017-07-18 19:25

  本文关键词：冗余配置航天器推力动态分配方法研究

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【摘要】：推力器是一类能够用于航天器轨道控制和姿态控制的特殊执行机构,在大量航天任务上得以应用。为提高航天器的机动能力和在轨运行可靠性,高性能航天器通常配置了远多于控制自由度数量的推力器,使得由期望控制量到推力器的分配方案并不唯一,控制分配技术为过驱动航天器的推力动态分配提供了一条有效解决途径。本论文在教育部博士点基金项目“航天器及航天器编队的动态控制分配问题研究”和国家国防科工局民用航天“十二五”预研项目“×××模块化卫星平台技术研究”等项目的资助下,围绕推力器冗余配置航天器控制分配问题,深入探讨了轨控优先姿轨一体化控制、编队燃料均衡和推力器负载均衡以及鲁棒推力分配等多方面,提出了多种适应不同需求的推力动态分配算法,取得了如下研究成果:推力在轨动态分配是影响推力器控制系统性能的关键,传统上采用的固定列表法面临存储数据量大、无法处理推力器故障等问题。为此,提出了一种基于凸锥分析的过驱动航天器离线/在线混合推力动态分配法,并给出了凸锥在线部分修订算法。该方法利用由推力顶点张成的凸锥离线制定出所有可能的推力器组合,依据期望控制量在线选择推力器组合凸锥并确定组合内推力器的开关状态,推力器故障时通过对受影响凸锥的在线修订实现故障隔离。该方法采用凸锥分析数学手段离线制定列表,能够有效应对复杂推力器布局的列表制定,显著降低了在轨计算量,且通过故障推力器影响凸锥的在线修订有效应对在轨故障。最后,同燃料最优、基于代数法的查表法等进行仿真对比,结果表明燃料使用效率基本一致的前提下,平均分配误差降低了26.85%,验证了所提方法的可行性和有效性。推力器是一类既能用于轨道控制又可用于姿态控制的特殊执行机构,如何利用推力器进行航天器的轨道和姿态控制成为高性能航天器的关键问题。为进一步降低在轨燃料消耗,提出了一种优先满足轨控并在不消耗额外燃料情况下尽可能提供姿控力矩的轨控优先姿轨一体化控制策略,给出了基于可达集的轨控优先姿轨一体化推力器分配方法,分别设计了基于可达集修正因子的凸松弛优化算法,以及依据效率矩阵和推力器布局特性的降维优化求解算法。在保证轨道控制期望控制力的前提下,尽可能实现所需的控制力矩,有效降低了燃料消耗量。最后,对所提算法进行了数学仿真,验证了算法的可行性和有效性。推力器相关的各种不确定性会导致燃耗增加、姿轨改变、系统稳态时间增加、控制器性能降低等问题。以最小结构奇异值定量刻画包含冗余配置推力器的系统鲁棒性能,探索了具有鲁棒性能的冗余推力器布局设计的可行性,并采用椭球不确定集描述推力器系统的多种不确定性,将不确定优化问题转化为确定性优化模型,提出了一种基于最优化的航天器鲁棒推力分配方法,优化了求解效率,提高了对推力器不确定性的鲁棒性能。仿真结果表明在控制效率矩阵具有5%-20%的随机误差时,累积分配误差和最大分配误差可以减小15%以上。推力器是实现航天器编队控制进而完成协同任务的关键,编队任务寿命取决于燃料消耗最大的成员航天器寿命,需要在编队协同控制中考虑燃料平衡问题。将编队成员航天器作为一类提供三轴控制的“虚拟推力器”,提出了一种航天器编队燃料均衡控制方法和成员航天器推力器负载均衡方法,在定义平衡度和干扰敏感度等性能指标的基础上给出了一种分配算法燃料均衡能力的定量化评价方法,有效实现了成员航天器控制过程中的燃料均衡,进而延长了航天器编队系统任务寿命。分别针对初始燃料相同和不同等情况的编队燃料均衡重构控制以及推力器负载均衡控制等进行仿真,结果表明所提出的均衡算法能有效提升成员航天器燃料消耗和推力器的平衡度,对扰动误差不敏感,鲁棒性强。
【关键词】：过驱动航天器 推力动态分配 姿轨一体化 燃料均衡 不确定性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-31
• 1.1 课题背景及研究的目的与意义14-15
• 1.1.1 课题来源14
• 1.1.2 课题研究的目的和意义14-15
• 1.2 国内外研究现状及分析15-28
• 1.2.1 典型冗余配置推力器航天任务16-18
• 1.2.2 航天器推力器分配问题18-19
• 1.2.3 控制分配方法19-28
• 1.3 论文的主要研究内容28-31
• 第2章 航天器动力学及控制分配算法31-51
• 2.1 引言31
• 2.2 航天器动力学与控制31-34
• 2.2.1 坐标系定义31-32
• 2.2.2 航天器动力学模型32-33
• 2.2.3 姿态控制33-34
• 2.3 推力器分配模型及分配方法34-38
• 2.3.1 推力器分配的数学模型34-35
• 2.3.2 控制分配方法35-38
• 2.4 航天器编队重构控制38-50
• 2.5 本章小结50-51
• 第3章 基于凸锥分析的航天器推力离线/在线混合动态分配法51-72
• 3.1 引言51-52
• 3.2 基于预定列表的推力器分配模型52-54
• 3.2.1 问题描述52-53
• 3.2.2 推力离线/在线混合动态分配法53-54
• 3.3 基于凸锥的推力器列表离线制定方法54-59
• 3.3.1 推力器组合表的代数确定方法54-55
• 3.3.2 凸多棱锥确定推力器列表原理55-58
• 3.3.3 推力器组合列表制定算法流程58-59
• 3.4 考虑ON-OFF工作模式的在线查表法59-63
• 3.4.1 基于锥面方程的推力器组合选择59-60
• 3.4.2 面向最小分配误差的推力器开关状态确定60-61
• 3.4.3 凸锥在线修订方法61-63
• 3.5 仿真与结果分析63-71
• 3.5.1 推力组合分配算法开环仿真63-68
• 3.5.2 推力组合分配算法闭环仿真68-71
• 3.6 本章小结71-72
• 第4章 轨控优先的姿轨一体化推力分配算法72-94
• 4.1 引言72
• 4.2 姿轨一体化推力器分配问题描述72-74
• 4.2.1 姿轨一体化推力器分配模型73
• 4.2.2 轨控优先的推力分配73-74
• 4.3 基于可达集的轨控优先推力分配算法74-87
• 4.3.1 可达集修正因子74-83
• 4.3.2 凸松弛优化方法83-87
• 4.4 仿真与结果分析87-93
• 4.5 本章小结93-94
• 第5章 考虑不确定性的航天器鲁棒推力分配方法94-112
• 5.1 引言94
• 5.2 冗余推力器配置与分析94-98
• 5.2.1 问题描述95
• 5.2.2 鲁棒性建模基础95-97
• 5.2.3 推力器布局设计97-98
• 5.3 鲁棒推力分配算法98-107
• 5.3.1 问题描述99-101
• 5.3.2 鲁棒控制分配101-107
• 5.4 仿真与结果分析107-111
• 5.5 本章小结111-112
• 第6章 考虑燃料平衡的航天器编队重构控制算法112-141
• 6.1 引言112-113
• 6.2 航天器编队燃料均衡建模113-116
• 6.2.1 问题描述113-114
• 6.2.2 燃料均衡模型114-116
• 6.3 考虑燃料均衡的编队重构控制策略116-122
• 6.3.1 初始质量相同的均衡策略116-119
• 6.3.2 初始质量不同的均衡策略119-122
• 6.4 负载均衡的航天器推力分配122-126
• 6.4.1 问题描述122-124
• 6.4.2 负载均衡分配算法124-126
• 6.5 仿真与结果分析126-140
• 6.5.1 编队燃料均衡重构控制126-135
• 6.5.2 负载均衡推力分配135-140
• 6.6 本章小结140-141
• 结论141-144
• 参考文献144-153
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果153-155
• 致谢155-156
• 个人简历156

【参考文献】

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1 孙楚仁;黄蕾;;鲁棒线性最优化的若干扩展(英文)[J];工程数学学报;2007年03期

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本文编号：559408