微小卫星的电磁对接动力学与控制研究

发布时间：2017-09-30 10:15

  本文关键词：微小卫星的电磁对接动力学与控制研究

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【摘要】：随着太空望远镜等大型航天器的发展,航天领域在轨服务技术中的在轨重构和在轨组装引起越来越多研究人员的关注。而对于立方体纳卫星,因其有着标准化、模块化、研制周期短和易于组成星座等诸多优点,在在轨重构和在轨组装上均有着重要的研究价值。对于在轨重构和在轨组装中有着核心地位的交会对接技术而言,传统的交会对接中所采用的推进剂会造成燃料消耗、光学污染、羽流冲击、热排放等问题,而电磁交会对接有着不消耗燃料、无对接冲击、能有效避免羽流对光学元件的污染等优势。本文将立方体纳卫星与电磁对接技术相结合,研究立方体纳卫星的空间电磁对接问题,主要包括以下几方面的内容:首先建立以两航天器系统的质心“CM”为坐标原点的“CM”轨道坐标系和“CM”计算坐标系,由于通电螺线管之间所产生的电磁力和电磁力矩模型的复杂性,且尚未有研究基础,因此对电磁对接装置进行简化。建立单匝线圈的磁偶极子远场模型,从而建立空间电磁对接电磁力和电磁力矩模型。并在验证电磁仿真软件Ansoft Maxwell可靠性的基础之上,对含铁芯的通电螺线管到单个线圈的数学模型简化进行数据修正。其次,对电磁对接过程中地磁场所产生的干扰力和干扰力矩以及其他干扰作用进行分析,在此基础上建立空间电磁对接动力学模型。先考虑空间电磁对接一维轨道问题,此时不考虑姿态问题,设计一维柔性对接轨迹。针对一维电磁对接问题,根据柔性参考轨迹提出了基于趋近律的滑模控制方法。对于在滑模控制过程中产生的抖振问题,采用了基于准滑动模态的控制方法来减弱抖振。仿真结果表明,采用基于准滑动模态的控制方法能够实现一维电磁柔性对接,对参考轨迹的跟踪效果良好,且与基于趋近律的控制方法相比,能够减弱控制过程中出现的抖振现象。然后考虑小角度一维轨道和小角度一维姿态控制问题。针对小角度一维电磁对接问题,考虑航天器通电螺线管中所通电流不相同的情况,首先对空间电磁对接过程中小角度一维电磁力电磁力矩进行推导和化简,并与远场模型进行对比,分析误差特性,建立小角度一维电磁对接电磁力和电磁力矩模型。然后在小角度一维轨道和一维姿态控制过程中,设计了姿态控制过程中的柔性对接轨迹,并证明系统状态能够在有限时间内到达滑模面,并最终达到稳定状态,采用滑模控制方法进行小角度一维电磁对接控制。仿真结果表明,采用滑模控制方法能够实现小角度一维轨道和姿态的柔性对接,且对参考轨迹的跟踪效果良好。最后,考虑航天器通电螺线管中所通电流相同情况下小角度二维电磁对接问题,此时假定电磁对接满足自对接性假设。推导得到小角度二维电磁对接情况下电磁力表达式,并与远场模型进行对比,分析其误差特性,建立小角度二维电磁对接电磁力和电磁力矩模型。在此基础上,建立小角度二维电磁对接动力学方程,并对动力学方程进行反馈线性化。针对小角度二维电磁对接控制问题,采用前文设计的参考轨迹,设计满足给定极点配置约束下的鲁棒混合H_2/H_∞控制器,通过合理配置极点可以使系统快速达到稳定状态,从而实现小角度二维空间电磁对接。仿真结果表明,采用鲁棒混合H_2/H_∞控制方法能够实现小角度二维柔性电磁对接,且对参考轨迹的跟踪效果良好。
【关键词】：立方体纳卫星 空间对接 空间电磁对接 滑模控制 鲁棒混合H_2/H_∞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】：V526;V474
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题来源及研究的背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-18
• 1.2.1 立方体纳卫星研究现状11-12
• 1.2.2 空间交会对接技术研究现状12-14
• 1.2.3 电磁对接技术研究现状14-17
• 1.2.4 电磁力/力矩模型的研究现状17-18
• 1.3 国内外文献综述的简析18-19
• 1.4 论文主要研究内容19-21
• 第2章 空间电磁对接系统建模21-35
• 2.1 引言21
• 2.2 电磁对接装置模型的建立21-23
• 2.3 电磁力/力矩模型的建立23-30
• 2.3.1 坐标系定义23-24
• 2.3.2 单匝线圈远场模型24-27
• 2.3.3 远场模型误差特性分析27-30
• 2.4 Ansoft Maxwell电磁仿真分析30-34
• 2.4.1 Ansoft Maxwell软件可靠性验证30-32
• 2.4.2 Ansoft Maxwell仿真进行通电螺线管模型简化32-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 电磁对接一维控制35-48
• 3.1 引言35
• 3.2 干扰力/力矩的分析35-38
• 3.2.1 地磁场干扰分析35-37
• 3.2.2 其他干扰力和干扰力矩分析37-38
• 3.3 空间电磁对接动力学模型38-39
• 3.4 空间一维电磁对接39-47
• 3.4.1 电磁对接参考轨迹的设计40-42
• 3.4.2 基于趋近律的一维电磁对接滑模控制42-44
• 3.4.3 基于准滑动模态的一维电磁对接滑模控制44-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 小角度一维电磁对接控制48-65
• 4.1 引言48
• 4.2 小角度一维电磁力/电磁力矩48-56
• 4.2.1 小角度一维电磁力模型推导49-53
• 4.2.2 小角度一维电磁力矩模型推导53-56
• 4.3 小角度一维电磁对接控制56-61
• 4.4 数学仿真及结果分析61-64
• 4.5 本章小结64-65
• 第5章 小角度二维电磁对接控制65-84
• 5.1 引言65
• 5.2 小角度二维电磁力化简65-70
• 5.2.1 小角度二维x方向电磁力化简66-67
• 5.2.2 小角度二维y方向电磁力化简67-69
• 5.2.3 小角度二维电磁力误差特性分析69-70
• 5.3 小角度二维电磁对接反馈线性化70-75
• 5.4 小角度二维电磁对接控制75-81
• 5.4.1 问题描述75-76
• 5.4.2 极点约束下的鲁棒混合H_2/H_∞控制76-81
• 5.5 仿真分析81-83
• 5.6 本章小结83-84
• 结论84-86
• 主要参考文献86-91
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果91-93
• 致谢93

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本文编号：947624