在轨服务航天器鲁棒自主交会与姿态跟踪控制方法

发布时间：2017-09-24 12:25

  本文关键词：在轨服务航天器鲁棒自主交会与姿态跟踪控制方法

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【摘要】：随着空间技术的迅猛发展,世界各国的航天器构造越来越复杂,成本也越来越昂贵。为了缩减航天器制造、发射和在轨运行的开支,同时延长在轨服务航天器的寿命,在轨组装维护修复、燃料加注、功能更换和升级等高新技术得到越来越多的关注和研究。当前各航天强国都已把发展在轨服务技术、构建在轨服务体系作为本国空间技术发展规划的核心任务。本课题针对在轨服务中航天器自主交会对接过程中的轨道机动问题进行深入分析和研究,提出在轨服务自主交会各个阶段的鲁棒控制及轨道确定方法。针对近距离导引段的机动控制,提出一种采用中长周期从测量设备向控制器发送轨道测量信息的机制,考虑执行机构的饱和非线性、推力受限以及航天器燃料受限等因素,研究基于中长周期信号的近距离导引段的多目标控制律设计策略。针对相对位置保持阶段,考虑控制力矩受限、空间干扰力矩、燃料最优以及H∞性能指标等约束的控制问题,将相对位置保持问题描述为一个线性系统的输出跟踪控制问题,提出控制器周期性向执行机构发送指令机制进行多目标鲁棒控制器的设计,并证明了控制器对能量有限的外部扰动具有抑制性能。针对相对位置保持阶段的相对轨道确定问题,考虑到滑模控制器对满足匹配条件的模型不确定性、非线性以及输入扰动的完全鲁棒性,提出新型的鲁棒滑模观测器方法实现航天器相对运动轨道信息的精确估计,从而避免了传统的鲁棒H2和H∞滤波只能处理能量有界扰动并且只能应用于精确的数学模型的局限性。针对最后逼近段的相对姿态跟踪问题,考虑未知外部扰动和执行机构故障,设计自适应反步控制器解决高精度姿态调节控制问题。采用自适应机制对扰动和故障的上界进行在线估计并得到精确估计值,并利用估计值完成反馈控制器的设计,避免了滑模控制器中的切换控制项所带来的控制器颤振问题。
【关键词】：在轨服务 交会对接 轨道机动 自适应控制 容错控制
【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】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 课题来源、研究背景及意义12-14
• 1.1.1 课题来源12
• 1.1.2 课题研究背景及意义12-14
• 1.2 课题研究现状14-21
• 1.2.1 空间在轨服务技术发展概况15-16
• 1.2.2 空间武器系统中交会拦截技术的发展概况16-17
• 1.2.3 交会阶段的相对轨道交会技术研究现状17-19
• 1.2.4 航天器相对轨道绕飞和位置保持研究现状19-20
• 1.2.5 航天器相对轨道确定的研究现状20-21
• 1.3 本文的主要研究内容21-24
• 第2章 相对轨道与姿态动力学建模24-36
• 2.1 坐标系定义24-26
• 2.2 轨道相对动力学模型及其线性化26-33
• 2.3 相对姿态动力学模型33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3章 近距离导引段的轨道机动鲁棒控制36-60
• 3.1 引言36-37
• 3.2 问题描述37-40
• 3.3 轨道机动过程的控制器设计和H_∞性能分析40-43
• 3.4 近距离导引段闭环控制系统稳定性分析43-50
• 3.5 仿真算例50-59
• 3.6 本章小结59-60
• 第4章 相对位置保持阶段的多目标鲁棒控制60-82
• 4.1 引言60
• 4.2 相对位置保持阶段的动力学模型以及控制问题描述60-64
• 4.3 航天器相对位置保持的输出跟踪控制器设计64-71
• 4.3.1 系统鲁棒稳定性分析64-70
• 4.3.2 H_∞意义下的扰动抑制70-71
• 4.4 仿真算例71-81
• 4.5 本章小结81-82
• 第5章 相对轨道确定的鲁棒滑模观测器设计82-97
• 5.1 引言82
• 5.2 问题描述82-84
• 5.3 相对轨道速度测量的滑模观测器设计84-88
• 5.3.1 基于奇异系统理论的增广策略84-87
• 5.3.2 鲁棒滑模观测器的增益矩阵设计87-88
• 5.4 误差系统稳定性分析88-90
• 5.5 仿真算例90-96
• 5.6 本章小结96-97
• 第6章 相对姿态跟踪任务的自适应反步控制器设计97-122
• 6.1 引言97
• 6.2 问题描述97-101
• 6.3 虚拟控制律的设计101-102
• 6.4 自适应反步控制律的设计102-105
• 6.4.1 基于自适应方法的姿态控制器设计102-104
• 6.4.2 李雅普诺夫函数的设计104-105
• 6.5 闭环系统稳定性分析105-111
• 6.6 仿真算例111-114
• 6.7 本章小结114-122
• 结论122-124
• 参考文献124-134
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果134-136
• 致谢136-137
• 个人简历137

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本文编号：911385