椭圆轨道交会对接有限时间控制问题研究

发布时间：2017-09-27 22:34

  本文关键词：椭圆轨道交会对接有限时间控制问题研究

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【摘要】：航天技术是当今世界科技中最尖端的技术之一,也是一个国家综合国力与科技水平的重要标志。航天器交会对接是进行深空探索、拓展人类生存空间的重要步骤,也是航天领域研究的热点问题之一。空间交会对接技术是实现诸如空间站的物资补给、航天员的交换和营救、航天器的在轨装配和维护等在轨服务的关键技术与先决条件。自主交会对接作为空间交会对接的主要趋势,最终逼近段是其中的一个重要阶段。本论文以航天器椭圆轨道交会对接为背景,针对交会对接的最终逼近阶段,研究了在椭圆轨道上航天器的相对位置与相对姿态的控制器设计问题,从理论的角度出发,提出了一套有限时间收敛的控制方案。 首先,本文建立了数学模型以方便对航天器交会对接问题的分析,包括轨道动力学模型与姿态描述模型。在常用基本坐标系的基础上给出了适用于椭圆轨道的相对动力学模型；介绍了用于描述航天器姿态的欧拉四元数法,并基于此给出了航天器的姿态运动学模型与动力学模型。 其次,对近年来引起人们的广泛兴趣的有限时间控制设计方法进行了简要的介绍,给出了有限时间稳定性的定义以及判定控制系统有限时间稳定的定理。 随后,针对航天器的椭圆轨道相对动力学模型,在考虑外界扰动的情况下,利用有限时间控制方法,分别基于传统FTSM模型和改进FTSM模型进行了有限时间控制器的设计,并通过仿真验证了控制算法是有效的。 然后,本论文针对追踪航天器与自由翻滚的目标航天器进行近距离交会对接的姿轨耦合控制问题,建立了相对姿轨一体化耦合模型,并在考虑未知有界扰动与控制输入饱合的情况下,利用有限时间控制技术深入研究了追踪航天器与自由翻滚的目标飞行器进行自主交会对接的相对位姿耦合控制方案。对闭环系统的数值仿真实例证明了控制方案的安全性与有效性。 最后,’文章对已研究的工作进行了总结,并针对有进一步研究空间的方向和问题提出了自己的观点。
【关键词】：交会对接 椭圆轨道 有限时间控制 输入饱和
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V526
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-10
• 插图索引10-11
• 主要符号对照表11-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 选题背景及意义12-13
• 1.2 空间交会对接概述13-16
• 1.2.1 基本概念13-14
• 1.2.2 飞行过程的划分14-15
• 1.2.3 关键技术15-16
• 1.3 航天器交会对接的发展背景16-18
• 1.3.1 美国交会对接技术的发展16-17
• 1.3.2 前苏联/俄罗斯交会对接技术的发展17
• 1.3.3 日本和欧空局交会对接技术的发展17-18
• 1.3.4 我国交会对接技术的发展18
• 1.4 航天器交会对接的研究现状18-22
• 1.4.1 轨道控制的研究现状18-20
• 1.4.2 姿态控制的研究现状20-21
• 1.4.3 姿轨耦合控制的研究现状21-22
• 1.5 有限时间控制方法的研究与应用现状22-23
• 1.6 本文主要内容及结构安排23-26
• 第二章 基础知识介绍26-36
• 2.1 引言26
• 2.2 动力学模型简介26-33
• 2.2.1 常用坐标系26-28
• 2.2.2 交会对接轨道动力学模型28-30
• 2.2.3 航天器姿态描述模型30-33
• 2.3 有限时间控制方法简介33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第三章 轨道控制有限时间控制器设计36-50
• 3.1 引言36
• 3.2 控制问题描述36-37
• 3.3 有限时间控制器的设计37-41
• 3.3.1 基于传统FTSM模型的有限时间控制器38-39
• 3.3.2 基于改进FTSM模型的有限时间控制器39-40
• 3.3.3 去抖振的改进控制器40-41
• 3.4 数值仿真41-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第四章 基于欧拉四元数的姿轨耦合有限时间控制50-62
• 4.1 引言50
• 4.2 姿轨耦合一体化模型50-53
• 4.3 有限时间控制器的设计53-56
• 4.4 数值仿真56-59
• 4.5 本章小结59-62
• 第五章 总结与展望62-64
• 5.1 全文工作总结62
• 5.2 进一步工作展望62-64
• 参考文献64-70
• 致谢70-72
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果72

【参考文献】

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本文编号：932327