交會(huì)控制是航天領(lǐng)域重要的技術(shù)之一,且具有十分廣泛的應(yīng)用,如在軌服務(wù)、大型空間結(jié)構(gòu)組裝和空間攔截等。在以上任務(wù)中,航天器姿態(tài)和位置控制是交會(huì)任務(wù)成功與否的關(guān)鍵。隨著空間任務(wù)需求的多樣化和復(fù)雜化,對(duì)航天器姿態(tài)和位置控制的要求也在不斷增加。特別是在一些新型的航天任務(wù)中目標(biāo)可能處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài),但航天器姿態(tài)和位置在快速機(jī)動(dòng)的同時(shí)還需滿足高精度高穩(wěn)定度要求,以致在系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮姿態(tài)和位置之間強(qiáng)耦合關(guān)系。因此,航天器的姿態(tài)控制、位置控制和位置姿態(tài)一體化控制等問題研究具有非常重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本論文在綜述國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,針對(duì)航天器上述控制問題,結(jié)合有限時(shí)間控制能有效提高系統(tǒng)狀態(tài)收斂性及控制精度等性能的優(yōu)勢(shì),并考慮航天器所受的外界干擾、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障和角速度或速度不可測(cè)量等因素,研究具有快速收斂特性和魯棒穩(wěn)定性的有限時(shí)間控制或固定時(shí)間控制方案設(shè)計(jì)�；谏鲜龇治�,本論文的主要章節(jié)研究?jī)?nèi)容概括如下:研究目標(biāo)航天器姿態(tài)相對(duì)靜止時(shí)的追蹤航天器相對(duì)姿態(tài)控制�？紤]高精度姿態(tài)控制是實(shí)現(xiàn)高性能位置控制的基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了基于加冪積分的固定時(shí)間姿態(tài)控制器,并對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析,證明了在無干擾等不確定性情況下相對(duì)姿態(tài)及相對(duì)角速度可在有限時(shí)間內(nèi)收斂到原點(diǎn)且具有收斂時(shí)間上界與系統(tǒng)狀態(tài)初值無關(guān)的性能魯棒性,以及在干擾情況下姿態(tài)及角速度可在固定時(shí)間內(nèi)收斂到原點(diǎn)鄰域內(nèi)。針對(duì)部件故障的冗余方案設(shè)計(jì)和節(jié)約成本及空間而不使用角速度敏感器的考慮,設(shè)計(jì)了無角速度測(cè)量信息的基于加冪積分輸出反饋?zhàn)藨B(tài)控制器,對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析,得到了與角速度反饋加冪積分固定時(shí)間姿態(tài)控制的相似結(jié)論。研究目標(biāo)航天器姿態(tài)相對(duì)靜止時(shí)的追蹤航天器相對(duì)位置控制。針對(duì)近距離交會(huì)中姿態(tài)無需再調(diào)整的追蹤航天器,設(shè)計(jì)了基于非奇異終端滑模的控制策略,并證明了在無干擾情況下相對(duì)位置和相對(duì)速度能在有限時(shí)間內(nèi)收斂到原點(diǎn)。該方法采用一種顯式含有正弦函數(shù)的特殊切換結(jié)構(gòu),有效避免了經(jīng)典非奇異終端滑�？赡軙�(huì)發(fā)生的奇異問題。針對(duì)干擾情況,在上述基礎(chǔ)上引入自適應(yīng)技術(shù)手段估計(jì)未知干擾上界。針對(duì)無速度測(cè)量信息情況,進(jìn)一步進(jìn)行了相對(duì)速度信息估計(jì)的狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì),提出一種有限時(shí)間速度觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法,保證了觀測(cè)誤差有限時(shí)間收斂特性。研究目標(biāo)航天器姿態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的追蹤航天器相對(duì)位置姿態(tài)一體化控制。對(duì)于實(shí)際航天任務(wù)中目標(biāo)航天器可能因缺乏燃料,或執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效等原因無法保持對(duì)接任務(wù)所需相對(duì)靜止姿態(tài)等導(dǎo)致在空間中做自由翻滾運(yùn)動(dòng)下的非合作目標(biāo)近距離交會(huì),研究了追蹤航天器位姿伴隨目標(biāo)航天器轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷調(diào)整的位姿一體化控制方法。針對(duì)不受干擾情況,設(shè)計(jì)了基于齊次理論的固定時(shí)間六自由度控制器,保證了系統(tǒng)在固定時(shí)間內(nèi)收斂到原點(diǎn);針對(duì)外界干擾存在且不容忽視情況,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)固定時(shí)間控制器,采用自適應(yīng)技術(shù)用以估計(jì)未知干擾上界。此外,針對(duì)在軌航天器可能存在的執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效問題,研究了執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分失效的容錯(cuò)控制方案設(shè)計(jì),采用自適應(yīng)技術(shù)用以估計(jì)未知的故障因子。最后,針對(duì)速度及角速度不可測(cè)的輸出反饋控制情況,設(shè)計(jì)了固定時(shí)間觀測(cè)器用以觀測(cè)未知的相對(duì)速度和相對(duì)角速度,實(shí)現(xiàn)了標(biāo)稱系統(tǒng)的相對(duì)速度和相對(duì)角速度觀測(cè)誤差能在固定時(shí)間內(nèi)收斂到原點(diǎn)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V448.2
【部分圖文】：

位置一體化模型(2-16)中的干擾6 1d 的范數(shù)有 0為未知常數(shù)，故相對(duì)位置模型和姿態(tài)模型中的|| ||dF d和 || d || d。機(jī)構(gòu)故障的航天器姿態(tài)和位置一體化模作在太空中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)長期暴露在高低溫、低劣環(huán)境中，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能發(fā)生故障，導(dǎo)致作輸入與控制指令要求的控制輸入間存在偏差。該控制精度下降，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致整個(gè)航天器控制系統(tǒng)類型：（1）由于機(jī)械或電氣的原因?qū)е聦?shí)際控稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分失效故障；（2）控制量偏差發(fā)，即不能響應(yīng)指令信號(hào)，導(dǎo)致輸出力矩不變甚力器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過合理的配置推力器的位位置進(jìn)行控制。將航天器抽象為一個(gè)長方體，其中xL ，yL ，zL 為航天器的尺寸。
【參考文獻(xiàn)】

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