本文關(guān)鍵詞：具有POGO振動(dòng)的捆綁火箭建模與姿態(tài)控制

  更多相關(guān)文章： 捆綁火箭 POGO振動(dòng) 多體系統(tǒng)建模 脈沖混雜系統(tǒng) 模型降階 滑模控制

【摘要】：運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定一個(gè)國(guó)家進(jìn)入太空的能力和航天活動(dòng)的規(guī)模,其姿態(tài)穩(wěn)定性是完成發(fā)射任務(wù)的重要保障。對(duì)于采用液體燃料作為推進(jìn)劑的大型運(yùn)載火箭,必須考慮推進(jìn)系統(tǒng)推力脈動(dòng)和箭體彈性振動(dòng)的耦合作用對(duì)姿態(tài)穩(wěn)定性的影響,而這類(lèi)耦合振動(dòng)被稱(chēng)為POGO振動(dòng)。傳統(tǒng)力學(xué)分析方法對(duì)于POGO振動(dòng)相關(guān)問(wèn)題的研究是基于串聯(lián)多級(jí)火箭一維梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型,然而隨著我國(guó)新型大推力捆綁火箭的研制成功,這種一維梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型存在一定的局限性,無(wú)法反映捆綁火箭復(fù)雜三維POGO振動(dòng)特點(diǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題,本學(xué)位論文深入研究了大型捆綁火箭多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法、高維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的選頻保結(jié)構(gòu)模型降階方法、具有POGO振動(dòng)連續(xù)和離散過(guò)程的混雜系統(tǒng)描述方法以及基于穩(wěn)態(tài)誤差界的姿態(tài)控制方法,主要工作包括以下幾個(gè)方面：以我國(guó)新型捆綁火箭作為研究對(duì)象,對(duì)由箭體剛體運(yùn)動(dòng)、彈性振動(dòng)、燃料晃動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)推力脈動(dòng)之間的耦合作用,所導(dǎo)致的POGO振動(dòng)對(duì)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行建模與分析。首先,通過(guò)剛性體段、復(fù)合約束虛鉸、系統(tǒng)內(nèi)外承受的力以及三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所確定的多體系統(tǒng)建模方法,建立捆綁火箭結(jié)構(gòu)-推進(jìn)-POGO振動(dòng)耦合多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。然后,將所得到的新型捆綁火箭動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行姿態(tài)小偏差線性化處理,獲得具有POGO振動(dòng)的捆綁火箭線性化姿態(tài)運(yùn)動(dòng)方程。最后,通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)捆綁火箭多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值仿真,將其結(jié)果與集中質(zhì)心液體火箭動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證多體系統(tǒng)建模方法的有效性。針對(duì)捆綁火箭動(dòng)力學(xué)模型所具有的高維系統(tǒng)特點(diǎn),采用模型降階方法降低姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)難度和計(jì)算復(fù)雜度。通過(guò)結(jié)合由奇異值分解和Krylov子空間理論發(fā)展的兩類(lèi)模型降階方法特點(diǎn),提出一類(lèi)SVD-Krylov子空間一體化模型降階方法,該方法不僅能夠保證降階系統(tǒng)維持原系統(tǒng)的性能特點(diǎn),并且算法計(jì)算效率高且能夠滿(mǎn)足降階誤差要求。針對(duì)一般降解方法導(dǎo)致降階系統(tǒng)失去原始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和物理意義的問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種選頻保結(jié)構(gòu)降階方法,通過(guò)構(gòu)造分塊可控可觀Gram矩陣實(shí)現(xiàn)在保持模型二階結(jié)構(gòu)的情況下,所得到的降階系統(tǒng)能在特定頻域區(qū)內(nèi)逼近原始系統(tǒng)。最后,將降階捆綁火箭動(dòng)力學(xué)模型與原始模型的姿態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證所提出模型降階方法的有效性。采用混雜系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法研究捆綁火箭的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定問(wèn)題。通過(guò)引入脈沖混雜系統(tǒng)描述方法,分析具有連續(xù)過(guò)程和離散過(guò)程的POGO振動(dòng)對(duì)捆綁火箭姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的影響。根據(jù)混雜系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法,研究了一類(lèi)輸入狀態(tài)穩(wěn)定的脈沖混雜系統(tǒng),并通過(guò)Lyapunov函數(shù)和脈沖函數(shù)的時(shí)間序列駐留要求,給出滿(mǎn)足輸入狀態(tài)穩(wěn)定的充分條件。進(jìn)一步,針對(duì)具有隨機(jī)擾動(dòng)和狀態(tài)時(shí)滯的混雜系統(tǒng),研究一類(lèi)中立型時(shí)滯隨機(jī)脈沖混雜系統(tǒng),通過(guò)構(gòu)造Lyapunov-Krasovskii泛函以及Ito方程,得到系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定的充分條件。最后,通過(guò)對(duì)捆綁火箭多體系統(tǒng)降階模型進(jìn)行姿態(tài)運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真,驗(yàn)證所提出的兩類(lèi)系統(tǒng)穩(wěn)定充分條件的有效性。針對(duì)捆綁火箭高精度姿態(tài)穩(wěn)定控制要求,設(shè)計(jì)一類(lèi)基于Slotine形式的積分滑�？刂破�,采用邊界層方法抑制滑模控制抖振現(xiàn)象,并通過(guò)選擇適合的邊界層厚度滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差界要求,不必通過(guò)反復(fù)仿真實(shí)驗(yàn)試湊。進(jìn)一步將具有POGO振動(dòng)的捆綁火箭姿態(tài)控制問(wèn)題,抽象描述為具有隨機(jī)擾動(dòng)和中立型時(shí)滯的脈沖混雜系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題；基于混雜系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定的充分條件,設(shè)計(jì)一種有限時(shí)間到達(dá)的積分滑�？刂品椒�,使得系統(tǒng)狀態(tài)能夠快速收斂到期望的誤差界內(nèi)。最后,通過(guò)對(duì)捆綁火箭姿控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真,說(shuō)明所設(shè)計(jì)的滑�？刂品椒軌蛴行б种芇OGO振動(dòng)影響,能夠保證運(yùn)載火箭維持較高的姿態(tài)穩(wěn)定精度。
【關(guān)鍵詞】：捆綁火箭 POGO振動(dòng) 多體系統(tǒng)建模 脈沖混雜系統(tǒng) 模型降階 滑�？刂�
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：V448.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-36
• 1.1 課題來(lái)源及研究意義14-20
• 1.1.1 課題來(lái)源14
• 1.1.2 課題研究意義和面臨的技術(shù)問(wèn)題14-20
• 1.2 相關(guān)領(lǐng)域研究進(jìn)展20-32
• 1.2.1 捆綁火箭POGO振動(dòng)問(wèn)題研究20-23
• 1.2.2 捆綁火箭動(dòng)力學(xué)建模方法23-29
• 1.2.3 高維系統(tǒng)降階方法研究29-30
• 1.2.4 捆綁火箭姿態(tài)控制方法30-32
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容32-36
• 第2章 捆綁火箭的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型36-74
• 2.1 引言36-37
• 2.2 常用坐標(biāo)系定義與轉(zhuǎn)換37-39
• 2.3 傳統(tǒng)串聯(lián)火箭建模方法39-48
• 2.3.1 動(dòng)力學(xué)模型的基本方程39-42
• 2.3.2 非線性動(dòng)力學(xué)模型的方程展開(kāi)42-45
• 2.3.3 傳統(tǒng)模型的局限性45-48
• 2.4 新型火箭結(jié)構(gòu)-推進(jìn)-POGO振動(dòng)耦合系統(tǒng)模型48-66
• 2.4.1 多體系統(tǒng)與旋量理論48-49
• 2.4.2 捆綁火箭多體系統(tǒng)基本運(yùn)動(dòng)方程49-52
• 2.4.3 單元體燃料晃蕩運(yùn)動(dòng)方程52-53
• 2.4.4 單元體推進(jìn)系統(tǒng)脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程53-55
• 2.4.5 捆綁火箭多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型55-63
• 2.4.6 小偏差線性化姿態(tài)運(yùn)動(dòng)方程63-66
• 2.5 模型分析和仿真驗(yàn)證66-72
• 2.6 本章小結(jié)72-74
• 第3章 大型高維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的模型降階74-94
• 3.1 引言74
• 3.2 模型降階的基本方法74-79
• 3.2.1 模型降階的基本思想74-75
• 3.2.2 兩類(lèi)基本模型降階方法75-79
• 3.3 SVD-Krylov子空間算法對(duì)大型動(dòng)態(tài)系統(tǒng)降階79-84
• 3.3.1 SVD-Krylov子空間降階方法79-81
• 3.3.2 捆綁火箭二階平衡降階81-84
• 3.4 具有秩約束控制器設(shè)計(jì)的多項(xiàng)式系數(shù)方法84-87
• 3.4.1 特征多項(xiàng)式系數(shù)84-86
• 3.4.2 秩約束等效替換86-87
• 3.5 數(shù)值仿真及結(jié)果分析87-93
• 3.6 本章小結(jié)93-94
• 第4章 具有POGO振動(dòng)的捆綁火箭脈沖混雜系統(tǒng)94-121
• 4.1 引言94-95
• 4.2 捆綁火箭的混雜系統(tǒng)描述方法95-102
• 4.2.1 混雜系統(tǒng)的兩類(lèi)描述方法95-96
• 4.2.2 捆綁火箭的混雜自動(dòng)機(jī)模型描述96-99
• 4.2.3 捆綁火箭的脈沖混雜系統(tǒng)描述99-102
• 4.3 脈沖混雜系統(tǒng)的輸入狀態(tài)穩(wěn)定102-111
• 4.3.1 輸入狀態(tài)穩(wěn)定Lyaponov函數(shù)103-105
• 4.3.2 輸入狀態(tài)穩(wěn)定的脈沖時(shí)間間隔條件105-108
• 4.3.3 數(shù)值仿真及結(jié)果分析108-111
• 4.4 中立型時(shí)滯隨機(jī)脈沖系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析111-120
• 4.4.1 穩(wěn)定性理論與預(yù)備知識(shí)112-113
• 4.4.2 全局漸近穩(wěn)定性的充分條件113-116
• 4.4.3 數(shù)值仿真及結(jié)果分析116-120
• 4.5 本章小結(jié)120-121
• 第5章 捆綁火箭姿態(tài)的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法121-147
• 5.1 引言121-122
• 5.2 系統(tǒng)描述及相關(guān)定義122-125
• 5.3 Slotine滑模面的邊界層方法125-133
• 5.3.1 滑�？刂频幕痉椒�125-127
• 5.3.2 Slotine滑�？刂�127-129
• 5.3.3 數(shù)值仿真及結(jié)果分析129-133
• 5.4 脈沖混雜系統(tǒng)的滑�？刂�133-146
• 5.4.1 抖振特性及其頻率調(diào)整133-134
• 5.4.2 脈沖混雜系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析134-138
• 5.4.3 有限時(shí)間到達(dá)的終端滑�？刂�138-140
• 5.4.4 數(shù)值仿真及結(jié)果分析140-146
• 5.5 本章小結(jié)146-147
• 結(jié)論147-150
• 參考文獻(xiàn)150-163
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果163-165
• 致謝165-166
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷166

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本文編號(hào)：1017578