航天器相对运动姿轨耦合二阶滑模控制研究

发布时间：2017-09-21 16:47

  本文关键词：航天器相对运动姿轨耦合二阶滑模控制研究

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【摘要】：空间交会对接是航天领域的重要研究方向之一,以其重要的战略意义和经济价值受到广泛重视。就空间技术的发展状况来看,传统空间应用中对合作目标的交会对接技术已日趋成熟,而对非合作目标的交会对接和停靠技术则处于飞速发展阶段,具有广阔的应用前景,如空间碎片捕获、在轨服务以及空间拦截等。不同于对合作目标的交会对接,对非合作目标的交会对接过程由于目标航天器无法主动提供精确的位姿信息,从而给相对位姿的控制技术带来了严峻的挑战。此外,在航天器的末端交会过程中,航天器的轨道控制和姿态控制间存在着严重的耦合作用,传统轨道控制和姿态控制“分而治之”的控制策略已无法满足新形势下对高精度控制的要求。所以,考虑一体化建模与控制方式的航天器姿轨耦合控制在理论和工程应用中均具有重要价值。本文以对非合作目标的末端交会过程为研究背景,对航天器姿轨耦合控制的二阶滑模控制算法进行了深入的研究。此外,在动态滑模控制器设计、任意阶滑模控制、二阶滑模的抗饱和控制以及逼近完全非合作目标的二阶滑模算法等问题中也取得了一定的研究成果。本文的主要研究内容包括:针对传统建模方法依赖于高精度相对导航滤波的问题,基于视线坐标系推导了适用于任意轨道形式且无需复杂滤波的航天器姿轨耦合动力学模型,并作为后文控制系统分析和设计的基础。针对滑模抖颤及系统不确定性影响高精度姿轨耦合控制的问题,研究了航天器姿轨耦合的二阶滑模控制问题。首先,将动态滑模与终端滑模相结合,改进了一类非线性系统的一阶及任意阶动态滑模控制律设计方法。其次,通过对追踪航天器参考轨迹的设计,将航天器间的相对位置控制和姿态同步旋转问题转化为对参考轨迹的跟踪问题。最后,将动态滑模与终端滑模相结合,并通过设计估计复合干扰导数上界的自适应律,提出了自适应二阶终端滑模控制律并给出了严格的稳定性分析。所设计的控制律可消除滑模抖颤问题且同时兼顾滑动模态的不变性,数值仿真验证了所设计控制律的有效性。针对逼近非合作目标过程中需要高精度和强机动控制的问题,研究了航天器姿轨耦合的有限时间控制问题。首先将任意阶滑模控制问题转化为含不确定性的n重积分链的控制问题,并针对n重积分链系统基于齐次理论提出了含线性补偿和切换机制的有限时间控制律,该控制律可使系统状态在远离和接近平衡点时均有较快的收敛速度。其次,设计了两类任意阶终端滑模面,即可令任意阶系统状态在有限时间内镇定的一类终端滑模面及其含线性补偿和切换机制的改进形式。在此基础上,针对任意阶滑模控制,设计了任意阶终端滑模控制律。最后,为实现航天器姿轨耦合高精度和强机动的控制目标,基于前述任意阶滑模控制方法,提出了航天器姿轨耦合二阶滑模有限时间控制律,该控制律消除了滑模抖颤且兼顾滑动模态的不变性。针对航天器姿轨耦合控制中存在执行机构饱和的问题,重点研究了航天器姿轨耦合控制的二阶滑模抗饱和控制问题。为建立关于滑模抗饱和控制的有关理论,首先提出了饱和型滑模面的概念并给出三类饱和型滑模面的严格定义,进一步研究了考虑控制输入约束的任意阶滑模控制律的存在条件。其次,重点研究了考虑控制输入饱和约束的二阶滑模控制问题,提出了基于饱和型滑模面的二阶滑模抗饱和控制律的改进设计方法及其含幂次项的改进形式,并分别给出了严格的数学证明以及抗饱和控制律的参数选取规则,从而有效克服了滑模控制的输入饱和问题。最后,在上述研究基础上,针对考虑执行机构饱和的航天器姿轨耦合控制问题,设计了航天器姿轨耦合二阶滑模抗饱和控制律。仿真结果表明,所设计控制律具有良好的抗饱和性能。最后,研究了逼近完全非合作目标的二阶滑模控制问题以及二阶滑模算法的对比分析和性能评价。针对逼近完全非合作目标的航天器姿轨耦合控制问题,综合考虑抖颤消除、收敛速度以及控制输入饱和约束等因素,设计了一类航天器姿轨耦合二阶滑模控制律。此外,考虑到二阶滑模算法进一步理论研究及工程应用的需要,本文在大量仿真实验和理论分析的基础上,对本文提出的四种二阶滑模算法与经典Super Twisting二阶滑模算法进行对比分析和性能评价,进一步得出有关结论。首先,以逼近完全非合作目标为应用背景,将Super Twisting算法与本文提出的四种二阶滑模算法分别应用于该控制问题中,在此基础上分别给出了仿真分析。其次,以上述仿真分析为研究基础和数据来源,对前述五种二阶滑模算法的控制性能进行对比分析。在此基础上,给出了五种算法的综合评价,归纳了各自的主要优缺点。最后,以结论的形式概要归纳了本文所提四种二阶滑模算法及Super Twisting算法的控制性能以及各自特点。
【关键词】：航天器 相对运动 姿轨耦合控制 滑模控制 二阶滑模
【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】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-14
• 第1章 绪论14-27
• 1.1 课题背景及意义14-17
• 1.2 姿轨耦合控制及相关问题研究现状17-24
• 1.2.1 航天器姿轨耦合建模方法研究现状17-20
• 1.2.2 航天器姿轨耦合控制方法研究现状20-22
• 1.2.3 姿轨耦合控制设计中面临的问题22-23
• 1.2.4 滑模控制理论研究现状23-24
• 1.3 本文的主要内容和结构安排24-27
• 第2章 航天器姿轨耦合动力学建模及预备知识27-43
• 2.1 引言27
• 2.2 基本坐标系27-29
• 2.3 航天器姿轨耦合动力学建模29-34
• 2.3.1 基于视线坐标系的相对轨道动力学29-32
• 2.3.2 相对姿态动力学32-34
• 2.3.3 航天器姿轨耦合动力学模型34
• 2.4 滑模控制理论及预备知识34-42
• 2.4.1 预备知识35-37
• 2.4.2 滑模变结构控制37-38
• 2.4.3 滑动模态的不变性38-39
• 2.4.4 传统滑模控制理论39-42
• 2.5 本章小结42-43
• 第3章 基于动态滑模的航天器姿轨耦合二阶滑模控制43-68
• 3.1 引言43
• 3.2 一类多输入多输出非线性系统改进的任意阶动态滑模控制律设计43-50
• 3.2.1 动态滑模定义43-45
• 3.2.2 一类非线性系统的一阶动态滑模控制律设计45-49
• 3.2.3 一类非线性系统的任意阶动态滑模控制律设计49-50
• 3.3 基于动态滑模的航天器姿轨耦合自适应二阶终端滑模控制律设计50-60
• 3.3.1 问题描述50-52
• 3.3.2 参考轨迹设计52-55
• 3.3.3 航天器姿轨耦合自适应二阶终端滑模控制律设计55-60
• 3.4 仿真分析60-67
• 3.5 本章小结67-68
• 第4章 基于齐次理论的航天器姿轨耦合二阶滑模有限时间控制68-91
• 4.1 引言68-69
• 4.2 基于齐次理论的任意阶终端滑模控制律设计69-82
• 4.2.1 问题描述及相关引理69-71
• 4.2.2 N重积分链系统的有限时间控制律设计71-75
• 4.2.3 基于齐次理论的任意阶终端滑模面设计75-78
• 4.2.4 基于齐次理论的任意阶终端滑模控制律设计78-82
• 4.3 基于齐次理论的航天器姿轨耦合二阶滑模有限时间控制律设计82-85
• 4.3.1 问题描述83-84
• 4.3.2 航天器姿轨耦合二阶滑模有限时间控制律设计84-85
• 4.4 仿真分析85-89
• 4.5 本章小结89-91
• 第5章 基于饱和型滑模面的航天器姿轨耦合二阶滑模抗饱和控制91-119
• 5.1 引言91-92
• 5.2 基于饱和型滑模面的任意阶滑模控制律设计92-99
• 5.2.1 饱和型滑模面概念的提出92-95
• 5.2.2 问题描述95-96
• 5.2.3 基于饱和型滑模面的任意阶滑模控制律设计96-99
• 5.3 基于饱和型滑模面的二阶滑模抗饱和控制律设计99-111
• 5.3.1 问题描述100
• 5.3.2 基于饱和型非奇异快速终端滑模面的二阶滑模抗饱和控制律设计100-107
• 5.3.3 含幂次项改进的二阶滑模抗饱和控制律设计107-111
• 5.4 基于饱和型滑模面的航天器姿轨耦合二阶滑模抗饱和控制律设计111-113
• 5.4.1 问题描述111-112
• 5.4.2 航天器姿轨耦合二阶滑模抗饱和控制律设计112-113
• 5.5 仿真分析113-118
• 5.6 本章小结118-119
• 第6章 二阶滑模算法在逼近完全非合作目标中的应用及算法对比评价119-146
• 6.1 引言119-120
• 6.2 一类逼近完全非合作目标的航天器姿轨耦合二阶滑模控制律设计120-128
• 6.2.1 问题描述120-122
• 6.2.2 航天器姿轨耦合自适应二阶滑模控制律设计122-124
• 6.2.3 仿真分析124-128
• 6.3 二阶滑模算法在逼近完全非合作目标中的应用及算法对比评价128-145
• 6.3.1 Super Twisting算法在逼近完全非合作目标中的应用及仿真分析130-132
• 6.3.2 本文二阶滑模算法在逼近完全非合作目标中的应用及仿真分析132-140
• 6.3.3 二阶滑模算法的对比分析及性能评价140-145
• 6.4 本章小结145-146
• 结论146-149
• 参考文献149-164
• 攻读博士学位期间发表的论文164-166
• 致谢166-167
• 个人简历167

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本文编号：895714