發(fā)布時間：2020-07-10 15:01

【摘要】：隨著空間科學技術的蓬勃發(fā)展,航天器在軌任務的復雜性和多樣性需求也與日俱增。可靠的軌道與姿態(tài)控制是航天器實現(xiàn)所有空間任務的基礎保證。對于傳統(tǒng)的單航天器系統(tǒng),標準做法是將其軌道與姿態(tài)控制器單獨設計;但為實施新興的多航天器臨近操作任務,追蹤航天器通常需同時進行對目標航天器的相對位置跟蹤和姿態(tài)同步。本文致力于解決兩航天器相對運動位姿一體化控制問題,相關理論結果可為諸如繞飛、懸停、在軌監(jiān)測或裝配、燃料加注、交會對接、空間對抗等在內的臨近操作任務的成功實施提供先決條件。本文以實現(xiàn)航天器位姿一體化控制為總體目標,并充分考慮臨近操作任務中可能會面臨的不確定性和外部干擾、輸入約束、高精度控制和快速機動以及執(zhí)行機構故障等實際問題,設計了多個位姿一體化控制方案,具體來說:首先,將航天器臨近操作任務劃分為軌道調整、繞飛和交會對接三個階段。考慮到在軌道調整階段由于軌道半徑和軌道傾角的改變所產生的的持續(xù)變化的空間干擾不確定性問題,引入一個動態(tài)補償器來克服擾動帶來的不確定性。將相對軌道控制的擾動抑制問題轉化為一類特殊非線性系統(tǒng)的全局鎮(zhèn)定問題,通過綜合運用內模理論和魯棒控制理論,保證了閉環(huán)系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定。其次,針對具有輸入約束和外部干擾的位姿一體化跟蹤控制問題,通過建立一個耦合的六自由度相對運動動力學模型來描述繞飛任務。在此基礎上,設計了一種基于輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性的基本控制器。為處理輸入飽和問題,引入了一種新的基于死區(qū)算子的飽和模型。然后,結合自適應技術與反步法理論,提出了一種不需要外部擾動上界先驗知識的飽和控制方案。然后,針對存在系統(tǒng)不確定性和外部擾動的航天器交會對接位姿一體化控制任務,利用非奇異積分終端滑模方法,提出了一種新的有限時間控制方案。特別是通過采用自適應技術,所提出的控制策略避免了對集總系統(tǒng)不確定性上界的先驗知識的要求,并且證明了所設計的控制器能夠保證平移和旋轉跟蹤誤差在有限時間內局部收斂于零。此外,利用邊界層技術對抖振現(xiàn)象進行了有效的修正。最后,針對具有執(zhí)行機構故障的臨近操作位姿一體化控制問題,改進六自由度動力學模型,使其可以描述包括部分失效、輸出漂移、完全失效和卡死在內的典型執(zhí)行機構故障類型。隨后,提出了一種基本的魯棒容錯控制器,以調節(jié)執(zhí)行器的故障并且保證系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定。在此基礎上,充分考慮可能的輸入飽和現(xiàn)象,設計了一種新穎的自適應容錯控制方案。進一步證明了該控制器在輸入飽和的情況下仍具有容錯能力,并保證了相對位姿跟蹤誤差收斂到原點附近。論文對上述所提出的各種航天器位姿一體化控制方案開展了充分的數(shù)值仿真,驗證了所設計算法的有效性。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V448.2
【圖文】：

航天器臨近操作是指在空間操作任務中，某個在軌航天器因特定任務的需逡逑要，謹慎地與另一空間目標維持較近的相對距離以及特定的相對姿態(tài)，以備后續(xù)逡逑操作［３，４］。根據這一定義，如圖１．１所示，這類空間操作包括由一在軌航天器自主逡逑１逡逑

因為任務與控制目標相對獨立，在過去的文獻里，標準做法是將其軌道逡逑運動和姿態(tài)運動單獨建模，然后再基于各自模型分開進行控制律設計，其控制系逡逑統(tǒng)框圖如圖１．２所示。逡逑；邐航夭器軌ｉｔ控制系統(tǒng)邋邐邋；逡逑！邐擾動力逡逑ｉ逡逑！邐；逡逑ｉ邐ｉ逡逑Ｉ邐？逡逑！邐邐１邐位置與線速度信息邐Ｉ逡逑邐傳感器邐；逡逑ｉ邐Ｌ￣Ｊ邐；逡逑！邐航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)邐丨逡逑Ｉ邐邋邋＜逡逑；邐擾動力矩邐Ｉ逡逑ｉ邐V灣澹紓紓徨澹瑁哄義希殄危懾義希懾�？辶x希懾危垮義希苠�？辶x希懾�？辶x希誨五危潁蓿潁欏�？辶x希懾危睿恚酰睿酰睿樨插危煎義希懾�？辶x襄五邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋澹咤澹咤濉濉濉澹咤濉濉濉濉濉邋邋邋邋濉濉濉濉濉澹叔義賢跡保泊澈教炱骺刂葡低沖義險庵紙詮旌教炱韉墓斕澇碩妥頌碩胺侄沃鋇乃枷爰蚧松杓棋義系母叢傭齲⑶矣捎諂浞洗車ズ教炱韉娜撾裉氐�，因而经过几十年的发展，辶x顯諳喙乜刂評礪哿煊蠔褪導使こ逃τ彌卸薊哿朔崴兜某曬�。随着航天器辶x瞎斕攬刂坪妥頌刂頻燃際醯娜漲鞒墑煊肟占渚赫鬧鸞ド

本文編號：2749079