基于扩张状态观测器空间站姿态控制和角动量管理

发布时间：2017-09-03 21:27

  本文关键词：基于扩张状态观测器空间站姿态控制和角动量管理

  更多相关文章： 姿态控制和角动量管理 扩张状态观测器 干扰抑制 线性二次型调节器 无角速度反馈

【摘要】：空间站技术代表着航天技术最全面、最先进的水平,在各国的航天技术发展中得到极大的重视。空间站作为大型复杂的航天器,其质量大外扰强,但长设计寿命要求使得其姿态控制不同于普通航天器。强干扰使得空间站执行机构—制力矩陀螺(Control Moment Gyros,CMGs)会快速饱和而需要频繁卸载,这又会导致燃料的消耗,影响其在轨寿命。如何保证CMG不饱和的情况下完成长期姿态控制,成为了空间站所特有的问题,这也就是空间站姿态控制和角动量管理(Attitude Control and Momentum Management,ACMM)需要解决的问题。我国的空间站项目已经立项,对空间站的ACMM控制技术进行攻关也迫在眉睫。目前国内外盛行的ACMM控制器都是基于内模原理(Internal Model Principle,IMP)对干扰进行抑制从而实现空间站的姿态控制和角动量管理,其中以国际空间站使用的基于内模原理的LQR算法最为经典。基于目前的研究现状,本文通过设计扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)实时估算补偿干扰,结合LQR算法设计控制律来实现空间站的姿态控制和角动量管理。本文的研究成果和贡献具体如下:(1)首次将扩张状态观测器运用到空间站的姿态控制和角动量管理中。针对空间站的ACMM模型建立了三阶线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)和非线性扩张状态观测器(Noninear Extended State Observer,NLESO)估算空间站的姿态、角速度和干扰总和。通过分析空间站实际运行中姿态和角速度可由测量系统提供,扩张状态观测器可降阶优化,设计了更有效率的二阶的LESO和NLESO估算空间站的角速度和总和干扰。并对设计的LESO分析了稳定性。(2)在实际研究中发现,姿态控制和角动量管理通过控制量耦合在一起,使得空间站的干扰补偿完全不同于普通航天器。在控制量中补偿仅加载在AC通道的干扰会导致MM通道引入额外干扰,因此需要在MM通道抵消补偿。文中分析计算了适用于各轴的合理补偿量以保证在抑制干扰的同时能不引起MM通道角动量的积累。在扩张状态观测器基础上结合LQR控制律,设计了两种合理的补偿策略,实现空间站的姿态控制和角动量管理的均衡,并证明了各策略下系统的闭环稳定性。(3)通过大量的仿真,分析验证了设计的各种扩张状态观测器和补偿策略的可行性。将仿真结果与经典的LQR进行对比,并在动态性能和稳态精度方面纵向比较了各种不同形式的扩张状态观测器和补偿策略的差异,得到一些有用的结论。设计了基于复合观测信息的三阶LESO,提升仅基于姿态角误差的三阶LESO空间站ACMM的性能。(4)针对空间站角速率陀螺故障情况,设计了基于三阶LESO提供的角速度估值的ACMM控制方案,实现空间站在无角速度反馈情况下的姿态控制和角动量管理,并证明了该方案的系统闭环稳定性。通过仿真验证了该故障解决方案的可行性和对干扰以及突变干扰的强跟踪抑制能力。
【关键词】：姿态控制和角动量管理 扩张状态观测器 干扰抑制 线性二次型调节器 无角速度反馈
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V476.1;V448
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 绪论15-26
• 1.1 引言15-17
• 1.2 研究现状17-24
• 1.2.1 空间站姿态控制和角动量管理的研究现状17-21
• 1.2.2 基于扩张状态观测器的扰动抑制研究现状21-23
• 1.2.3 无角速度测量的航天器姿态控制研究现状23-24
• 1.3 本文的主要研究内容及结构安排24-26
• 第二章 空间站动力学模型及其相关理论知识26-37
• 2.1 引言26
• 2.2 动力学建模26-30
• 2.2.1 坐标系26-27
• 2.2.2 空间站姿态动力学和运动学方程27-30
• 2.3 基于极点配置的LQR算法30-32
• 2.4 扩张状态观测器32-35
• 2.5 一个有用的定理35-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第三章 基于扩张状态观测器的空间站姿态控制和角动量管理37-55
• 3.1 引言37
• 3.2 空间站干扰的LESO的设计37-41
• 3.2.1 三阶LESO的设计38
• 3.2.2 三阶LESO的稳定性分析38-40
• 3.2.3 二阶LESO的设计40
• 3.2.4 二阶LESO的稳定性分析40-41
• 3.3 空间站干扰的NLESO的设计41-42
• 3.3.1 三阶NLESO的设计41
• 3.3.2 二阶NLESO的设计41-42
• 3.4 空间站姿态控制和角动量管理补偿策略设计-142-48
• 3.4.1 补偿策略设计43-45
• 3.4.2 闭环稳定性分析45-48
• 3.5 空间站姿态控制和角动量管理补偿策略设计-248-53
• 3.5.1 补偿策略设计49-50
• 3.5.2 闭环稳定性分析50-53
• 3.6 本章小结53-55
• 第四章 基于扩张状态观测器的空间站姿态控制和动量管理性能分析55-82
• 4.1 引言55
• 4.2 补偿策略-1 仿真结果55-62
• 4.2.1 三阶LESO仿真结果56-58
• 4.2.2 二阶LESO仿真结果58-59
• 4.2.3 三阶NLESO仿真结果59-61
• 4.2.4 二阶NLESO仿真结果61-62
• 4.3 补偿策略-2 仿真结果62-69
• 4.3.1 三阶LESO仿真结果62-64
• 4.3.2 二阶LESO仿真结果64-65
• 4.3.3 三阶NLESO仿真结果65-67
• 4.3.4 二阶NLESO仿真结果67-69
• 4.4 仿真结果分析比较69-70
• 4.4.1 与经典LQR的比较69-70
• 4.4.2 不同形式ESO的比较70
• 4.4.3 补偿策略-1 和补偿策略-2 的比较70
• 4.5 对突变干扰的跟踪70-77
• 4.5.1 补偿策略-1 仿真结果71-74
• 4.5.2 补偿策略-2 仿真结果74-76
• 4.5.3 结果分析76-77
• 4.6 基于复合观测信息的ACMM控制器77-81
• 4.6.1 补偿策略-1 仿真结果77-79
• 4.6.2 补偿策略-2 仿真结果79-81
• 4.6.3 结果分析81
• 4.7 本章小结81-82
• 第五章 无角速度测量的空间站姿态控制和角动量管理82-102
• 5.1 引言82
• 5.2 控制问题描述82-83
• 5.3 基于LESO无角速度测量的空间站ACMM控制策略83-92
• 5.3.1 三阶LESO的设计以及稳定性分析83
• 5.3.2 控制策略设计-183-84
• 5.3.3 控制策略设计-1 闭环稳定性分析84-88
• 5.3.4 控制策略设计-288-89
• 5.3.5 控制策略设计-2 闭环稳定性分析89-92
• 5.4 仿真结果和分析92-101
• 5.4.1 控制策略设计-1 仿真结果93-97
• 5.4.2 控制策略设计-2 仿真结果97-101
• 5.4.3 结果分析101
• 5.5 本章小结101-102
• 结论与展望102-104
• 参考文献104-113
• 攻读博士学位期间取得的研究成果113-114
• 致谢114-115
• 附件115

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 胡珊,袁建平,李文华;空间站姿态控制和动量管理研究[J];航天控制;2004年05期

2 程迎坤;孙承启;张锦江;;空间站力矩平衡姿态和动量平衡姿态的研究[J];航天控制;2008年02期

3 郭廷荣;;带干扰补偿的挠性航天器变结构输出反馈控制[J];空间控制技术与应用;2008年05期

4 蔡建;王芳;张洪华;;一种无角速度信息的挠性航天器姿态控制方法[J];空间控制技术与应用;2009年02期

5 黄一,张文革;自抗扰控制器的发展[J];控制理论与应用;2002年04期

6 辛菁;刘丁;杨延西;徐庆坤;;基于自适应免疫整定的机器人无标定自抗扰视觉伺服控制[J];控制理论与应用;2007年04期

7 韩京清;系统辨识的一种方法——状态反馈法[J];控制与决策;1990年01期

8 韩京清;非线性控制系统中状态反馈的实现[J];控制与决策;1991年03期

9 韩京清;非线性状态误差反馈控制律──NLSEF[J];控制与决策;1995年03期

10 龚宜;刘莹莹;周军;;微小型航天器无角速度测量姿态控制[J];计算机仿真;2013年07期

中国博士学位论文全文数据库 前4条

1 苏位峰;异步电机自抗扰矢量控制调速系统[D];清华大学;2004年

2 周黎妮;考虑动量管理和能量存储的空间站姿态控制研究[D];国防科学技术大学;2009年

3 杜丽敏;基于力矩陀螺的高分敏捷小卫星姿态机动控制研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2012年

4 肖冰;执行器故障的航天器姿态容错控制[D];哈尔滨工业大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 徐乐;主动磁控小卫星自抗扰姿态控制系统研究[D];哈尔滨工业大学;2006年

，

本文编号：787421