多星部署上面级的姿态控制研究

发布时间：2017-09-18 08:09

  本文关键词：多星部署上面级的姿态控制研究

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【摘要】：随着“一箭多星”等航天发射需求的增加,多星部署上面级的价值与日俱增。但是多星部署上面级释放一部分有效载荷后质心位置及转动惯量矩阵会发生变化,产生惯量耦合与控制耦合,导致三轴姿态耦合。针对上述姿态控制问题,本学位论文分别对基于反步法的主动段姿态控制、主动段滑模变结构姿态解耦控制和滑行段时间最优姿态控制进行了深入研究。主要内容如下:基于反步法的主动段姿态控制。针对多星部署上面级三轴姿态耦合的多变量、强耦合的复杂的非线性控制问题,利用反步法设计了姿态控制器,并证明了其稳定性。根据多星部署上面级在主动段的控制机构,计算了滚动方向喷管产生的滚动方向控制力矩,给出了相对于变化了的质心位置,主发动机摇摆的推力偏航角、推力俯仰角与产生的控制力矩之间的关系。设计了通过数值法由期望力矩求解推力偏航角与推力俯仰角的具体方法。基于反步法的主动段姿态控制方法在理想情况和考虑控制约束的情况能有效控制多星部署上面级的姿态,但是在应对干扰方面存在较大不足,需要提出鲁棒性更强的方法。主动段滑模变结构姿态解耦控制。针对基于反步法的多星部署上面级主动段姿态控制器存在较大不足的问题,提出了一种鲁棒性更强的滑模变结构姿态解耦控制方法。对三轴耦合的多星部署上面级姿态控制系统,进行了反馈线性化解耦,为了提高多星部署上面级姿态控制的鲁棒性,在反馈线性化得到的三轴姿态解耦的伪线性系统的基础上,分别设计了三轴的滑模变结构姿态控制器,并证明了稳定性。针对滑模变结构控制的抖振问题,利用幂次函数构造的趋近律滑模控制算法,成功消除了抖振。与基于反步法的多星部署上面级主动段姿态控制器相比,无论是在姿态机动时间、姿态参数精度、角速度精度等方面,还是在抗干扰方面,滑模变结构姿态解耦控制都远优于基于反步法的姿态控制。滑行段时间最优姿态控制。针对多星部署上面级的滑行段时间最优姿态控制问题,提出了基于高斯伪谱法的滑行段时间最优姿态控制方法。根据多星部署上面级在滑行段的姿态控制执行机构,详细计算了滑行段多星部署上面级由姿控喷管产生的控制力矩,即给出了三轴控制力矩与三轴姿控喷管开关函数之间的关系。将其代入了多星部署上面级滑行段时间最优姿态控制问题的描述中。多星部署上面级基于高斯伪谱法的滑行段时间最优姿态控制方法能有效完成姿态机动,但同时存在一定误差,且是开环控制方法,无法对干扰进行抑制。进一步提出了利用滑模变结构姿态解耦控制方法进行末端修正,并设计了详细的三轴姿控喷管开关函数的控制算法。经过末端修正的基于高斯伪谱法的滑行段时间最优姿态控制方法精度高,抗干扰能力强。
【关键词】：上面级 反步法 滑模变结构控制 时间最优控制
【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】：V448.22
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-13
• 1.1.1 运载火箭上面级的功能及意义10-12
• 1.1.2 多星部署上面级的姿态控制研究的意义12-13
• 1.2 相关问题国内外研究现状13-20
• 1.2.1 运载火箭上面级13-17
• 1.2.2 多星部署上面级的姿态控制17-18
• 1.2.3 反步控制方法18-19
• 1.2.4 滑模变结构控制方法19-20
• 1.3 本文的主要研究内容20-22
• 第2章 上面级姿态控制数学模型与控制方案22-30
• 2.1 引言22
• 2.2 上面级姿态描述22-26
• 2.2.1 参考坐标系的定义22-23
• 2.2.2 几种常用姿态参数及其优缺点23-26
• 2.3 上面级姿态动力学方程26-27
• 2.4 上面级姿态运动学方程27
• 2.5 上面级姿态控制方案27-28
• 2.5.1 主动段推力矢量与喷气联合控制28
• 2.5.2 滑行段喷气控制28
• 2.6 本章小结28-30
• 第3章 基于反步法的主动段姿态控制30-56
• 3.1 引言30-31
• 3.2 反步法控制原理31-37
• 3.3 基于反步法的姿态控制器设计37-42
• 3.3.1 控制律推导37-40
• 3.3.2 仿真验证及分析40-42
• 3.4 考虑控制约束的反步姿态控制42-50
• 3.4.1 主动段控制力矩43-44
• 3.4.2 主动段控制力矩数值求解法44-46
• 3.4.3 仿真结果与分析46-50
• 3.5 引入干扰的仿真验证50-54
• 3.5.1 主要干扰50
• 3.5.2 仿真结果与分析50-54
• 3.6 本章小结54-56
• 第4章 主动段滑模变结构姿态解耦控制56-73
• 4.1 引言56
• 4.2 反馈线性化方法56-58
• 4.3 上面级姿态方程的反馈线性化58-59
• 4.4 滑模变结构控制器设计59-62
• 4.5 仿真结果与分析62-71
• 4.5.1 理想状态62-63
• 4.5.2 考虑控制约束63-67
• 4.5.3 考虑干扰及控制约束67-71
• 4.6 本章小结71-73
• 第5章 滑行段时间最优姿态控制73-88
• 5.1 引言73
• 5.2 最优控制方法73-75
• 5.2.1 最优控制问题描述形式73-74
• 5.2.2 高斯伪谱法数值逼近74-75
• 5.3 基于高斯伪谱法的上面级时间最优姿态控制75-77
• 5.4 滑行段控制力矩77-79
• 5.5 滑行段时间最优控制仿真结果及分析79-82
• 5.6 末端修正82-86
• 5.7 本章小结86-88
• 结论88-90
• 参考文献90-97
• 致谢97

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本文编号：874360