本文關(guān)鍵詞：大型剛?cè)狁詈闲l(wèi)星的有限時(shí)間姿態(tài)控制方法研究

  更多相關(guān)文章： 柔性衛(wèi)星 有限時(shí)間穩(wěn)定 終端滑模 容錯(cuò)控制

【摘要】：由中心剛體,柔性梁和末端質(zhì)量塊組成的柔性衛(wèi)星由于太陽能帆板,機(jī)械臂等大型柔性附件的存在,其衛(wèi)星本體運(yùn)動(dòng)與柔性附件變形存在很強(qiáng)的耦合效應(yīng),特別是在衛(wèi)星大角度快速機(jī)動(dòng)過程中,這種耦合效應(yīng)會(huì)更加明顯。剛?cè)狁詈咸匦缘拇嬖?造成柔性衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)建模和姿態(tài)控制相對于剛性衛(wèi)星,會(huì)更為困難。此外,柔性衛(wèi)星姿態(tài)的失穩(wěn)以及機(jī)動(dòng)時(shí)間過長都容易激發(fā)大型柔性附件的低階振動(dòng),進(jìn)而影響衛(wèi)星的姿態(tài)控制精度,所以對柔性衛(wèi)星進(jìn)行有限時(shí)間快速姿態(tài)控制非常重要。本論文在此背景下,針對大型剛?cè)狁詈闲l(wèi)星有限時(shí)間姿態(tài)控制,進(jìn)行了深入的理論研究,并使用數(shù)值仿真驗(yàn)證了研究成果的有效性。論文首先基于一次近似耦合建模原理,利用Hamilton最小作用原理以及有限元法建立了柔性衛(wèi)星一次近似剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,為了充分體現(xiàn)柔性附件變形與中心剛體的大范圍運(yùn)動(dòng)的耦合特性,在變形位移場中引入了橫向變形引起軸向變形減小的效應(yīng)。另外,為了降低控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度,在不影響控制效果的前提下,對一次近似剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了改進(jìn)。針對一次近似剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,考慮模型不確定性以及外部干擾,設(shè)計(jì)了非奇異快速終端滑模姿態(tài)控制器(NFTSMC),在到達(dá)有限時(shí)間收斂的同時(shí),加快了收斂速度并且避免了奇異現(xiàn)象。考慮到柔性信息不可測的情況,在NFTSMC基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了有限時(shí)間動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器,該控制器只依賴于角度與角速度進(jìn)行有限時(shí)間反饋控制。針對角速度敏感器發(fā)生故障時(shí),常常導(dǎo)致角速度信息不可得的情況,本文提出在控制系統(tǒng)中引入有限時(shí)間收斂的終端滑模觀測器對角速度信息進(jìn)行重建,來達(dá)到在角速度信息缺失情況下的柔性衛(wèi)星有限時(shí)間姿態(tài)控制。由于存在不連續(xù)符號函數(shù),且切換增益較大,終端滑�？刂破鞫墩瘳F(xiàn)象較為明顯,對于柔性衛(wèi)星來說還會(huì)激發(fā)柔性附件的低階振動(dòng)。針對這一問題,首先使用擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器對包含柔性耦合項(xiàng)的系統(tǒng)總干擾進(jìn)行觀測,以此達(dá)到減小控制增益的目的,然后在此基礎(chǔ)上利用快速冪次趨近律的二階滑模特性,建立了具有高階滑模特性的連續(xù)終端滑�？刂破�,在有限時(shí)間穩(wěn)定的同時(shí),削弱了抖振,進(jìn)而減小柔性附件的振動(dòng)。針對柔性衛(wèi)星執(zhí)行器出現(xiàn)故障的情況,建立了故障動(dòng)力學(xué)方程,使用勒讓德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對包含故障控制力矩估計(jì)誤差在內(nèi)的系統(tǒng)總干擾進(jìn)行逼近,然后結(jié)合非奇異快速終端滑模原理設(shè)計(jì)了基于勒讓德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有限時(shí)間姿態(tài)容錯(cuò)控制器。為了防止勒讓德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在逼近初期發(fā)生估計(jì)越界,設(shè)計(jì)了切換函數(shù),在勒讓德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和魯棒控制項(xiàng)之間進(jìn)行切換,通過理論推導(dǎo)以及數(shù)值仿真證明了該控制器可以在執(zhí)行器故障的情況下實(shí)現(xiàn)有限時(shí)間姿態(tài)容錯(cuò)控制,而且由于勒讓德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只需要目標(biāo)姿態(tài)信息就可以逼近系統(tǒng)總干擾,所以控制器設(shè)計(jì)更加簡單,高效。
【關(guān)鍵詞】：柔性衛(wèi)星 有限時(shí)間穩(wěn)定 終端滑模 容錯(cuò)控制
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V448.22
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-23
• 1.1 課題來源10
• 1.2 課題背景及研究的目的和意義10-12
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-21
• 1.3.1 柔性航天器建模研究現(xiàn)狀分析12-14
• 1.3.2 柔性航天器姿態(tài)控制研究現(xiàn)狀分析14-19
• 1.3.3 有限時(shí)間姿態(tài)控制19-21
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容21-23
• 第2章 柔性衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)建模及有限時(shí)間控制理論23-34
• 2.1 引言23
• 2.2 柔性衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)建模23-30
• 2.2.1 柔性變形描述23-26
• 2.2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)描述26-27
• 2.2.3 動(dòng)力學(xué)描述27-30
• 2.3 有限時(shí)間穩(wěn)定控制30-32
• 2.4 終端滑模控制32-33
• 2.5 本章小結(jié)33-34
• 第3章 基于輸出反饋的有限時(shí)間姿態(tài)控制34-58
• 3.1 引言34-35
• 3.2 非奇異快速終端滑模狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)35-38
• 3.3 非奇異快速終端滑模動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器設(shè)計(jì)38-43
• 3.4 角速度測量缺失的姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)43-47
• 3.5 數(shù)值仿真與分析47-56
• 3.5.1 狀態(tài)反饋控制仿真結(jié)果48-51
• 3.5.2 動(dòng)態(tài)輸出反饋控制仿真結(jié)果51-54
• 3.5.3 角速度測量缺失的控制仿真結(jié)果54-56
• 3.6 本章小結(jié)56-58
• 第4章 基于快速冪次趨近律的有限時(shí)間連續(xù)滑�？刂�58-70
• 4.1 引言58
• 4.2 擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器設(shè)計(jì)58-60
• 4.3 快速冪次趨近律的二階滑模特性60-62
• 4.4 基于ESO的連續(xù)終端滑�？刂破髟O(shè)計(jì)62-66
• 4.5 數(shù)值仿真與分析66-69
• 4.6 本章小結(jié)69-70
• 第5章 基于勒讓德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有限時(shí)間容錯(cuò)控制70-83
• 5.1 引言70-71
• 5.2 控制問題描述71
• 5.3 勒讓德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)71-73
• 5.4 基于LeNN的容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)73-79
• 5.4.1 控制器設(shè)計(jì)73-75
• 5.4.2 穩(wěn)定性分析75-79
• 5.5 數(shù)值仿真與分析79-82
• 5.6 本章小結(jié)82-83
• 結(jié)論83-84
• 參考文獻(xiàn)84-91
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)成果91-93
• 致謝93

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本文編號：550502