航天器相对运动姿轨耦合跟踪控制

发布时间：2017-08-21 10:42

  本文关键词：航天器相对运动姿轨耦合跟踪控制

  更多相关文章： 耦合动力学模型 对偶四元数 类PD控制 模糊控制 自抗扰控制 鲁棒控制

【摘要】：随着航天任务的多样化和复杂化,自主在轨服务技术应运而生,而对目标航天器实现自主交会对接是进行近距离服务操作的基础。本文针对与失控自由翻滚目标交会对接过程中的姿轨耦合控制问题,研究了相对运动的姿轨一体化建模方法,并设计了相应的姿轨耦合控制算法。论文的主要内容如下:介绍了对偶四元数的概念,建立了利用对偶四元数描述的单航天器六自由度动力学模型,在此基础上推导了两航天器相对运动的姿轨耦合动力学模型,并分析了耦合项的来源。设计了一种类PD控制器,利用Lyapunov方法和Babalat引理证明了系统的全局渐进稳定性。与基于对数反馈的PD控制做了仿真对比,发现本文提出的方法动态性能更好并且节省能量。利用模糊控制对类PD控制的位置部分做了改进,进一步改善了动态性能并减少能量消耗。在航天器质量特性有偏差及外扰增大的情况下验证了控制器的鲁棒性。针对对偶四元数乘法进行了改造,设计了串级自抗扰控制器。通过设计虚拟控制量和误差反馈控制律,并利用跟踪微分器安排过渡过程,控制器实现了在小扰动时良好的跟踪控制。设计了扩张状态观测器实现对内外扰动的估测,并进行补偿,仿真验证了控制器的鲁棒性。为了减少控制器可调参数以提高实用性,基于输入-状态稳定(ISS)理论设计了一种鲁棒控制律,在无扰动时闭环系统满足指数稳定,有界扰动存在时系统满足局部输入-状态稳定,仿真结果表明在扰动增大时系统仍具有很平滑的过渡过程和较高的精度,控制系统具有很强的鲁棒性。
【关键词】：耦合动力学模型 对偶四元数 类PD控制 模糊控制 自抗扰控制 鲁棒控制
【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】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 课题背景及研究目的和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-15
• 1.2.1 自主在轨服务技术研究现状9-11
• 1.2.2 航天器姿轨耦合动力学建模研究现状11-13
• 1.2.3 航天器姿轨一体化控制方法研究现状13-15
• 1.3 本文主要研究内容15-17
• 第2章 基于对偶四元数的姿轨耦合动力学建模17-33
• 2.1 引言17
• 2.2 坐标系定义17-18
• 2.3 四元数18-21
• 2.3.1 四元数的定义及运算法则18-19
• 2.3.2 基于四元数的相对姿态动力学建模19-21
• 2.4 对偶数21-22
• 2.5 对偶四元数22-23
• 2.6 相对运动姿轨耦合动力学建模23-32
• 2.6.1 对偶形式的单刚体运动学23-26
• 2.6.2 对偶形式的单刚体动力学26-29
• 2.6.3 基于对偶四元数的相对姿轨耦合运动学29-30
• 2.6.4 基于对偶四元数的相对姿轨耦合动力学30-32
• 2.7 本章小结32-33
• 第3章 类PD及模糊PD控制器设计33-49
• 3.1 引言33
• 3.2 类PD控制器设计33-42
• 3.2.1 类PD控制律设计33-35
• 3.2.2 类PD控制律稳定性证明35-37
• 3.2.3 仿真对比37-42
• 3.3 模糊PD控制42-48
• 3.3.1 模糊系统设计42-44
• 3.3.2 仿真验证44-46
• 3.3.3 控制器鲁棒性验证46-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 自抗扰控制器设计49-62
• 4.1 引言49
• 4.2 自抗扰控制器结构49-52
• 4.3 基于对偶四元数的串级自抗扰控制器设计52-57
• 4.3.1 串级自抗扰系统52-53
• 4.3.2 虚拟控制量设计53-55
• 4.3.3 扩张状态观测器设计55-56
• 4.3.4 误差反馈控制律56-57
• 4.4 仿真验证57-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第5章 鲁棒控制器设计62-71
• 5.1 引言62
• 5.2 输入-状态稳定理论62-64
• 5.3 鲁棒控制器设计64-66
• 5.4 鲁棒控制稳定性证明66-67
• 5.5 仿真验证67-70
• 5.6 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-77
• 致谢77

，

本文编号：712432