本文關(guān)鍵詞：電動(dòng)帆航天器動(dòng)力學(xué)、控制及軌跡優(yōu)化研究

  更多相關(guān)文章： 電動(dòng)帆 姿態(tài)軌道耦合 混合優(yōu)化方法 反饋線性化 懸浮軌道

【摘要】：隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展,遠(yuǎn)地空間探測(cè)甚至遠(yuǎn)地空間資源利用將逐步成為航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),尋找一種高效的星際遠(yuǎn)航推進(jìn)方式是完成任務(wù)的第一步也是關(guān)鍵的一步。近年來,一種新興的無限大比沖推進(jìn)方式——電動(dòng)太陽風(fēng)帆(簡(jiǎn)稱電動(dòng)帆)以其應(yīng)用于深空探測(cè)的巨大潛力得到了國(guó)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)及專家的重視,而國(guó)內(nèi)在此方面的研究才剛剛起步。由于電動(dòng)帆航天器能夠利用太陽風(fēng)動(dòng)能沖力飛行而不消耗任何推進(jìn)劑,所以非常適用于長(zhǎng)期的深空探測(cè)任務(wù)和非開普勒軌道保持任務(wù)。本學(xué)位論文以電動(dòng)帆航天器深空探測(cè)任務(wù)及非開普勒軌道保持任務(wù)為背景,針對(duì)其動(dòng)力學(xué)、控制和軌跡優(yōu)化問題開展研究,主要完成了以下幾方面的工作:針對(duì)電動(dòng)帆航天器姿態(tài)和軌道強(qiáng)耦合問題,以單根帶電金屬鏈推力模型為基礎(chǔ),對(duì)電動(dòng)帆航天器姿態(tài)-軌道耦合動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。首先,通過理論推導(dǎo)得出了電動(dòng)帆推力矢量和力矩矢量與電動(dòng)帆姿態(tài)、相對(duì)太陽距離和帶電金屬鏈電壓分布之間的關(guān)系。然后在此推力模型基礎(chǔ)上,分別對(duì)電動(dòng)帆航天器的軌道動(dòng)力學(xué)和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。由于電動(dòng)帆的推力矢量由其姿態(tài)所決定,所以電動(dòng)帆的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與軌道動(dòng)力學(xué)是耦合的,進(jìn)而得出了電動(dòng)帆航天器姿態(tài)軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型。針對(duì)電動(dòng)帆航天器轉(zhuǎn)移軌跡優(yōu)化問題,提出了一種結(jié)合高斯偽譜法、遺傳算法和序列二次規(guī)劃算法的混合優(yōu)化方法。這種混合優(yōu)化方法通過遺傳算法全局尋優(yōu)獲得高斯偽譜法中非線性規(guī)劃問題的狀態(tài)變量及控制變量初值,并采用序列二次規(guī)劃算法在遺傳算法獲得初值的基礎(chǔ)上進(jìn)一步尋優(yōu)。將上述混合優(yōu)化方法應(yīng)用于電動(dòng)帆航天器軌跡優(yōu)化問題中,并以火星探測(cè)任務(wù)、谷神星探測(cè)任務(wù)和太陽系邊界探測(cè)任務(wù)為例進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明,所提出的混合優(yōu)化算法能夠在無任何初值猜測(cè)的情況下完成電動(dòng)帆航天器飛行軌跡的優(yōu)化,這一特性非常適用于缺少先驗(yàn)知識(shí)的電動(dòng)帆航天器軌跡優(yōu)化問題。針對(duì)考慮參數(shù)攝動(dòng)時(shí)的電動(dòng)帆航天器姿態(tài)跟蹤控制問題,開展了采用反饋線性化和滑模變結(jié)構(gòu)的聯(lián)合控制研究。反饋線性化通過狀態(tài)反饋補(bǔ)償將各通道強(qiáng)耦合且非線性的姿態(tài)控制問題轉(zhuǎn)化成各通道獨(dú)立的線性問題,并采用滑模變結(jié)構(gòu)對(duì)各通道進(jìn)行控制。聯(lián)合控制仿真結(jié)果表明,雖然提出的反饋線性化和滑模變結(jié)構(gòu)聯(lián)合控制由于非匹配不確定性的存在不能實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)穩(wěn)定,但是通過合理地設(shè)計(jì)滑模面和控制參數(shù),仍可使系統(tǒng)的滑模運(yùn)動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性和所期望的動(dòng)態(tài)性能�；陔妱�(dòng)帆推力加速度較大且可調(diào)的特點(diǎn),將其應(yīng)用于日心懸浮軌道保持任務(wù)中,并對(duì)其穩(wěn)定性和穩(wěn)定控制開展了研究。對(duì)基于電動(dòng)帆的日心懸浮軌道進(jìn)行了設(shè)計(jì),得出了保持日心懸浮軌道的必要條件。進(jìn)而對(duì)所設(shè)計(jì)的電動(dòng)帆航天器日心懸浮軌道進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,結(jié)果表明:當(dāng)電動(dòng)帆慣量參數(shù)及懸浮軌道參數(shù)滿足一定條件時(shí),電動(dòng)帆日心懸浮軌道才是平衡且臨界穩(wěn)定的。采用線性二次型最優(yōu)控制對(duì)非穩(wěn)定情況進(jìn)行主動(dòng)穩(wěn)定控制研究,仿真結(jié)果表明,線性二次型最優(yōu)控制適用于電動(dòng)帆在日心懸浮軌道的穩(wěn)定控制,且很小的力矩就能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)帆航天器姿態(tài)-軌道耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定。
【關(guān)鍵詞】：電動(dòng)帆 姿態(tài)軌道耦合 混合優(yōu)化方法 反饋線性化 懸浮軌道
【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
【分類號(hào)】：V442
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-37
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義14-16
• 1.1.1 課題來源14
• 1.1.2 課題的目的和意義14-16
• 1.2 電動(dòng)帆推進(jìn)技術(shù)研究現(xiàn)狀16-27
• 1.2.1 電動(dòng)帆發(fā)展概述17-21
• 1.2.2 電動(dòng)帆部件與構(gòu)型21-22
• 1.2.3 電動(dòng)帆相關(guān)應(yīng)用概述22-26
• 1.2.4 電動(dòng)帆和太陽帆對(duì)比分析26-27
• 1.3 電動(dòng)帆相關(guān)理論研究現(xiàn)狀27-34
• 1.3.1 動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀27-29
• 1.3.2 控制研究現(xiàn)狀29-30
• 1.3.3 軌跡優(yōu)化研究現(xiàn)狀30-34
• 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容34-37
• 第2章 電動(dòng)帆姿態(tài)軌道耦合動(dòng)力學(xué)37-55
• 2.1 引言37
• 2.2 時(shí)間與坐標(biāo)系統(tǒng)37-41
• 2.2.1 時(shí)間系統(tǒng)定義37-38
• 2.2.2 參考系統(tǒng)定義與轉(zhuǎn)換38-41
• 2.3 電動(dòng)帆推力模型研究41-50
• 2.3.1 推力矢量模型41-44
• 2.3.2 力矩矢量模型44
• 2.3.3 電壓分布策略44-45
• 2.3.4 推力模型分析45-50
• 2.4 電動(dòng)帆軌道動(dòng)力學(xué)研究50-52
• 2.4.1 球坐標(biāo)系下軌道動(dòng)力學(xué)模型50-51
• 2.4.2 笛卡爾直角坐標(biāo)系下軌道動(dòng)力學(xué)模型51-52
• 2.5 電動(dòng)帆姿態(tài)動(dòng)力學(xué)研究52-53
• 2.6 電動(dòng)帆姿態(tài)-軌道耦合動(dòng)力學(xué)方程53-54
• 2.7 本章小結(jié)54-55
• 第3章 基于偽譜法和遺傳算法的電動(dòng)帆軌跡優(yōu)化研究55-84
• 3.1 引言55-56
• 3.2 混合優(yōu)化方法理論基礎(chǔ)56-59
• 3.2.1 Gauss偽譜法理論基礎(chǔ)56-58
• 3.2.2 混合優(yōu)化方法基本策略58-59
• 3.3 電動(dòng)帆軌跡優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述59-62
• 3.3.1 優(yōu)化性能指標(biāo)60
• 3.3.2 動(dòng)力學(xué)微分約束60-61
• 3.3.3 邊界約束61
• 3.3.4 路徑約束61-62
• 3.4 基于混合優(yōu)化方法的電動(dòng)帆軌跡優(yōu)化62-66
• 3.4.1 基于Gauss偽譜法的離散化62-64
• 3.4.2 基于遺傳算法的初值計(jì)算64-65
• 3.4.3 基于序列二次規(guī)劃的最優(yōu)解求解65-66
• 3.5 電動(dòng)帆深空探測(cè)任務(wù)分析66-83
• 3.5.1 基于電動(dòng)帆航天器的火星探測(cè)66-74
• 3.5.2 基于電動(dòng)帆航天器的谷神星探測(cè)74-81
• 3.5.3 基于電動(dòng)帆航天器的太陽系邊界探測(cè)81-83
• 3.6 本章小結(jié)83-84
• 第4章 基于反饋線性化的電動(dòng)帆姿態(tài)跟蹤控制研究84-103
• 4.1 引言84
• 4.2 控制問題描述84-85
• 4.3 基于反饋線性化的控制85-97
• 4.3.1 反饋線性化理論基礎(chǔ)85-86
• 4.3.2 反饋線性化控制器設(shè)計(jì)86-88
• 4.3.3 姿態(tài)跟蹤數(shù)學(xué)仿真88-97
• 4.4 反饋線性化和滑模變結(jié)構(gòu)聯(lián)合控制97-102
• 4.4.1 反饋線性化和變結(jié)構(gòu)聯(lián)合控制器設(shè)計(jì)97-98
• 4.4.2 姿態(tài)跟蹤數(shù)值仿真98-102
• 4.5 本章小結(jié)102-103
• 第5章 電動(dòng)帆日心懸浮軌道相關(guān)問題研究103-129
• 5.1 引言103
• 5.2 日心懸浮軌道設(shè)計(jì)103-110
• 5.2.1 日心懸浮軌道104-105
• 5.2.2 地球同步日心懸浮軌道105-107
• 5.2.3 最優(yōu)日心懸浮軌道107-110
• 5.3 日心懸浮軌道穩(wěn)定性分析110-113
• 5.3.1 姿態(tài)軌道耦合系統(tǒng)平衡條件110
• 5.3.2 姿態(tài)軌道耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析110-113
• 5.4 日心懸浮軌道穩(wěn)定控制113-118
• 5.4.1 控制問題描述114
• 5.4.2 線性二次型最優(yōu)控制114-115
• 5.4.3 數(shù)值仿真算例115-118
• 5.5 日心懸浮軌道相關(guān)的轉(zhuǎn)移問題118-128
• 5.5.1 優(yōu)化問題邊界約束118-119
• 5.5.2 地球-懸浮軌道轉(zhuǎn)移問題仿真算例119-123
• 5.5.3 懸浮軌道間轉(zhuǎn)移問題仿真算例123-128
• 5.6 本章小結(jié)128-129
• 結(jié)論129-132
• 參考文獻(xiàn)132-140
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果140-142
• 致謝142-144
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷144

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 張福斌,徐德民,閆茂德;非匹配不確定非線性系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)[J];系統(tǒng)工程與電子技術(shù);2003年02期

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本文編號(hào)：1023068