航天器交会对接逼近段自抗扰控制研究

发布时间：2017-08-29 12:34

  本文关键词：航天器交会对接逼近段自抗扰控制研究

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【摘要】：航天器自主交会对接是完成近地轨道空间站搭建、在轨维护与捕获、宇航员与科研设备输送和后勤物资补给等航天领域工程应用的关键技术,是我国拓展空间应用研究的前提。本文以空间自主交会对接为背景,研究了最终逼近段航天器位置和姿态耦合的自抗扰控制及参数优化问题。首先,在交会对接逼近段相对动力学建模问题上,引入螺旋运动的概念,将航天器在太空的运动简化为刚体在空间的平移和旋转运动,用对偶四元数来统一描述。在建立地球惯性坐标系、航天器本体坐标系和航天器相对坐标系的基础上,推导单个航天器的运动学方程；并基于动量定理,结合对偶代数理论导出单个航天器的动力学模型。由追踪航天器和目标航天器各自本体坐标系间的相对螺旋运动导出其相对运动学方程,进一步推导出相对动力学方程,并分析证明了两航天器间相对运动的平移线速度和旋转角速度是相互耦合的。然后,基于上述耦合动力学模型,在转动惯量时变和外界干扰不确定的情况下,应用干扰估计与补偿的理论,设计了串级自抗扰控制器。通过设计虚拟控制量使系统输出快速跟踪期望值,扩张状态观测器根据系统的输入和输出数据,实时给出对象状态变量和总和扰动(加速度实时作用量)的估计值,非线性误差反馈律用扰动的估计值对控制量进行动态补偿,保证了航天器交会对接最终逼近段的相对速度、位置和姿态跟踪误差在较短时间内收敛到期望值。选取合适的参数进行数值仿真,结果表明串级自抗扰控制方案在两航天器近距离相对速度和位姿耦合跟踪控制方面,具有较强的鲁棒性和抑制干扰能力,能够满足航天器交会对接逼近段的高精度控制要求。最后,初步研究了自抗扰控制器的参数选取与优化问题。结合航天器交会对接逼近段位姿耦合的自抗扰控制模型,选取适应度函数时考虑控制能量输出的因素,在时间乘绝对误差积分的性能指标中加入控制力和力矩的平方项,并分别设定权值。仿真研究发现,用粒子群算法进行优化时,在参数的不同取值区间上出现了局部最优和早熟现象。于是,在分析粒子群算法中参数选取范围和粒子运动速度会影响其收敛性的基础上,利用混沌变量的多样性和遍历性特点来弥补标准粒子群算法的不足。仿真结果验证了混沌优化思想在自抗扰控制器参数优化应用中的有效性。
【关键词】：自主交会对接 逼近段控制 对偶四元数 自抗扰 参数优化
【学位授予单位】：吉林大学
【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9-17
• 1.1 课题来源及研究背景9-10
• 1.1.1 课题来源9
• 1.1.2 课题研究背景9-10
• 1.2 交会对接研究进展与现状10-14
• 1.2.1 交会对接发展现状10-13
• 1.2.2 交会对接控制研究现状13-14
• 1.3 论文主要工作14-17
• 第2章 交会对接逼近段相对运动建模与分析17-29
• 2.1 对偶四元数理论17-20
• 2.1.1 四元数17-18
• 2.1.2 对偶数18-19
• 2.1.3 对偶四元数19-20
• 2.2 坐标系20-21
• 2.3 单个航天器运动学建模21-23
• 2.4 单个航天器动力学建模23-25
• 2.5 航天器相对耦合动力学建模25-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第3章 交会对接逼近段ADRC设计与仿真29-45
• 3.1 自抗扰控制器29-33
• 3.1.1 ADRC的发展及应用29-31
• 3.1.2 ADRC的结构31
• 3.1.3 ADRC的离散动态方程31-33
• 3.2 交会对接逼近段串级ADRC设计33-34
• 3.3 虚拟控制量设计34
• 3.4 扩张状态观测器与误差反馈律设计34-35
• 3.5 数值仿真结果35-40
• 3.6 鲁棒性与干扰抑制分析40-44
• 3.7 本章小结44-45
• 第4章 交会对接逼近段ADRC参数优化与仿真45-61
• 4.1 适应度函数选取45-47
• 4.2 问题描述47
• 4.3 基于PSO算法的交会对接逼近段ADRC优化与仿真47-51
• 4.3.1 粒子群算法47-48
• 4.3.2 算法设计过程48-49
• 4.3.3 仿真结果与分析49-51
• 4.4 基于CPSO算法的交会对接逼近段ADRC优化与仿真51-59
• 4.4.1 混沌粒子群算法51-53
• 4.4.2 算法设计过程53
• 4.4.3 仿真结果与分析53-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第5章 总结与展望61-63
• 5.1 全文总结61-62
• 5.2 展望62-63
• 参考文献63-69
• 作者简介及科研成果69-71
• 致谢71

【参考文献】

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1 朱仁璋;王鸿芳;徐宇杰;魏羽良;;美国航天器交会技术研究[J];航天器工程;2011年05期

2 朱仁璋;王鸿芳;肖清;徐宇杰;;苏/俄交会对接技术研究[J];航天器工程;2011年06期

3 韩京清;自抗扰控制器及其应用[J];控制与决策;1998年01期

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本文编号：753322