本文關(guān)鍵詞：冗余配置航天器推力動(dòng)態(tài)分配方法研究

  更多相關(guān)文章： 過(guò)驅(qū)動(dòng)航天器 推力動(dòng)態(tài)分配 姿軌一體化 燃料均衡 不確定性

【摘要】：推力器是一類能夠用于航天器軌道控制和姿態(tài)控制的特殊執(zhí)行機(jī)構(gòu),在大量航天任務(wù)上得以應(yīng)用。為提高航天器的機(jī)動(dòng)能力和在軌運(yùn)行可靠性,高性能航天器通常配置了遠(yuǎn)多于控制自由度數(shù)量的推力器,使得由期望控制量到推力器的分配方案并不唯一,控制分配技術(shù)為過(guò)驅(qū)動(dòng)航天器的推力動(dòng)態(tài)分配提供了一條有效解決途徑。本論文在教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目“航天器及航天器編隊(duì)的動(dòng)態(tài)控制分配問(wèn)題研究”和國(guó)家國(guó)防科工局民用航天“十二五”預(yù)研項(xiàng)目“×××模塊化衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)研究”等項(xiàng)目的資助下,圍繞推力器冗余配置航天器控制分配問(wèn)題,深入探討了軌控優(yōu)先姿軌一體化控制、編隊(duì)燃料均衡和推力器負(fù)載均衡以及魯棒推力分配等多方面,提出了多種適應(yīng)不同需求的推力動(dòng)態(tài)分配算法,取得了如下研究成果:推力在軌動(dòng)態(tài)分配是影響推力器控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵,傳統(tǒng)上采用的固定列表法面臨存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大、無(wú)法處理推力器故障等問(wèn)題。為此,提出了一種基于凸錐分析的過(guò)驅(qū)動(dòng)航天器離線/在線混合推力動(dòng)態(tài)分配法,并給出了凸錐在線部分修訂算法。該方法利用由推力頂點(diǎn)張成的凸錐離線制定出所有可能的推力器組合,依據(jù)期望控制量在線選擇推力器組合凸錐并確定組合內(nèi)推力器的開(kāi)關(guān)狀態(tài),推力器故障時(shí)通過(guò)對(duì)受影響凸錐的在線修訂實(shí)現(xiàn)故障隔離。該方法采用凸錐分析數(shù)學(xué)手段離線制定列表,能夠有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜推力器布局的列表制定,顯著降低了在軌計(jì)算量,且通過(guò)故障推力器影響凸錐的在線修訂有效應(yīng)對(duì)在軌故障。最后,同燃料最優(yōu)、基于代數(shù)法的查表法等進(jìn)行仿真對(duì)比,結(jié)果表明燃料使用效率基本一致的前提下,平均分配誤差降低了26.85%,驗(yàn)證了所提方法的可行性和有效性。推力器是一類既能用于軌道控制又可用于姿態(tài)控制的特殊執(zhí)行機(jī)構(gòu),如何利用推力器進(jìn)行航天器的軌道和姿態(tài)控制成為高性能航天器的關(guān)鍵問(wèn)題。為進(jìn)一步降低在軌燃料消耗,提出了一種優(yōu)先滿足軌控并在不消耗額外燃料情況下盡可能提供姿控力矩的軌控優(yōu)先姿軌一體化控制策略,給出了基于可達(dá)集的軌控優(yōu)先姿軌一體化推力器分配方法,分別設(shè)計(jì)了基于可達(dá)集修正因子的凸松弛優(yōu)化算法,以及依據(jù)效率矩陣和推力器布局特性的降維優(yōu)化求解算法。在保證軌道控制期望控制力的前提下,盡可能實(shí)現(xiàn)所需的控制力矩,有效降低了燃料消耗量。最后,對(duì)所提算法進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真,驗(yàn)證了算法的可行性和有效性。推力器相關(guān)的各種不確定性會(huì)導(dǎo)致燃耗增加、姿軌改變、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)間增加、控制器性能降低等問(wèn)題。以最小結(jié)構(gòu)奇異值定量刻畫包含冗余配置推力器的系統(tǒng)魯棒性能,探索了具有魯棒性能的冗余推力器布局設(shè)計(jì)的可行性,并采用橢球不確定集描述推力器系統(tǒng)的多種不確定性,將不確定優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為確定性優(yōu)化模型,提出了一種基于最優(yōu)化的航天器魯棒推力分配方法,優(yōu)化了求解效率,提高了對(duì)推力器不確定性的魯棒性能。仿真結(jié)果表明在控制效率矩陣具有5%-20%的隨機(jī)誤差時(shí),累積分配誤差和最大分配誤差可以減小15%以上。推力器是實(shí)現(xiàn)航天器編隊(duì)控制進(jìn)而完成協(xié)同任務(wù)的關(guān)鍵,編隊(duì)任務(wù)壽命取決于燃料消耗最大的成員航天器壽命,需要在編隊(duì)協(xié)同控制中考慮燃料平衡問(wèn)題。將編隊(duì)成員航天器作為一類提供三軸控制的“虛擬推力器”,提出了一種航天器編隊(duì)燃料均衡控制方法和成員航天器推力器負(fù)載均衡方法,在定義平衡度和干擾敏感度等性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上給出了一種分配算法燃料均衡能力的定量化評(píng)價(jià)方法,有效實(shí)現(xiàn)了成員航天器控制過(guò)程中的燃料均衡,進(jìn)而延長(zhǎng)了航天器編隊(duì)系統(tǒng)任務(wù)壽命。分別針對(duì)初始燃料相同和不同等情況的編隊(duì)燃料均衡重構(gòu)控制以及推力器負(fù)載均衡控制等進(jìn)行仿真,結(jié)果表明所提出的均衡算法能有效提升成員航天器燃料消耗和推力器的平衡度,對(duì)擾動(dòng)誤差不敏感,魯棒性強(qiáng)。
【關(guān)鍵詞】：過(guò)驅(qū)動(dòng)航天器 推力動(dòng)態(tài)分配 姿軌一體化 燃料均衡 不確定性
【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)】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-31
• 1.1 課題背景及研究的目的與意義14-15
• 1.1.1 課題來(lái)源14
• 1.1.2 課題研究的目的和意義14-15
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析15-28
• 1.2.1 典型冗余配置推力器航天任務(wù)16-18
• 1.2.2 航天器推力器分配問(wèn)題18-19
• 1.2.3 控制分配方法19-28
• 1.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容28-31
• 第2章 航天器動(dòng)力學(xué)及控制分配算法31-51
• 2.1 引言31
• 2.2 航天器動(dòng)力學(xué)與控制31-34
• 2.2.1 坐標(biāo)系定義31-32
• 2.2.2 航天器動(dòng)力學(xué)模型32-33
• 2.2.3 姿態(tài)控制33-34
• 2.3 推力器分配模型及分配方法34-38
• 2.3.1 推力器分配的數(shù)學(xué)模型34-35
• 2.3.2 控制分配方法35-38
• 2.4 航天器編隊(duì)重構(gòu)控制38-50
• 2.5 本章小結(jié)50-51
• 第3章 基于凸錐分析的航天器推力離線/在線混合動(dòng)態(tài)分配法51-72
• 3.1 引言51-52
• 3.2 基于預(yù)定列表的推力器分配模型52-54
• 3.2.1 問(wèn)題描述52-53
• 3.2.2 推力離線/在線混合動(dòng)態(tài)分配法53-54
• 3.3 基于凸錐的推力器列表離線制定方法54-59
• 3.3.1 推力器組合表的代數(shù)確定方法54-55
• 3.3.2 凸多棱錐確定推力器列表原理55-58
• 3.3.3 推力器組合列表制定算法流程58-59
• 3.4 考慮ON-OFF工作模式的在線查表法59-63
• 3.4.1 基于錐面方程的推力器組合選擇59-60
• 3.4.2 面向最小分配誤差的推力器開(kāi)關(guān)狀態(tài)確定60-61
• 3.4.3 凸錐在線修訂方法61-63
• 3.5 仿真與結(jié)果分析63-71
• 3.5.1 推力組合分配算法開(kāi)環(huán)仿真63-68
• 3.5.2 推力組合分配算法閉環(huán)仿真68-71
• 3.6 本章小結(jié)71-72
• 第4章 軌控優(yōu)先的姿軌一體化推力分配算法72-94
• 4.1 引言72
• 4.2 姿軌一體化推力器分配問(wèn)題描述72-74
• 4.2.1 姿軌一體化推力器分配模型73
• 4.2.2 軌控優(yōu)先的推力分配73-74
• 4.3 基于可達(dá)集的軌控優(yōu)先推力分配算法74-87
• 4.3.1 可達(dá)集修正因子74-83
• 4.3.2 凸松弛優(yōu)化方法83-87
• 4.4 仿真與結(jié)果分析87-93
• 4.5 本章小結(jié)93-94
• 第5章 考慮不確定性的航天器魯棒推力分配方法94-112
• 5.1 引言94
• 5.2 冗余推力器配置與分析94-98
• 5.2.1 問(wèn)題描述95
• 5.2.2 魯棒性建�；A(chǔ)95-97
• 5.2.3 推力器布局設(shè)計(jì)97-98
• 5.3 魯棒推力分配算法98-107
• 5.3.1 問(wèn)題描述99-101
• 5.3.2 魯棒控制分配101-107
• 5.4 仿真與結(jié)果分析107-111
• 5.5 本章小結(jié)111-112
• 第6章 考慮燃料平衡的航天器編隊(duì)重構(gòu)控制算法112-141
• 6.1 引言112-113
• 6.2 航天器編隊(duì)燃料均衡建模113-116
• 6.2.1 問(wèn)題描述113-114
• 6.2.2 燃料均衡模型114-116
• 6.3 考慮燃料均衡的編隊(duì)重構(gòu)控制策略116-122
• 6.3.1 初始質(zhì)量相同的均衡策略116-119
• 6.3.2 初始質(zhì)量不同的均衡策略119-122
• 6.4 負(fù)載均衡的航天器推力分配122-126
• 6.4.1 問(wèn)題描述122-124
• 6.4.2 負(fù)載均衡分配算法124-126
• 6.5 仿真與結(jié)果分析126-140
• 6.5.1 編隊(duì)燃料均衡重構(gòu)控制126-135
• 6.5.2 負(fù)載均衡推力分配135-140
• 6.6 本章小結(jié)140-141
• 結(jié)論141-144
• 參考文獻(xiàn)144-153
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果153-155
• 致謝155-156
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷156

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 孫楚仁;黃蕾;;魯棒線性最優(yōu)化的若干擴(kuò)展(英文)[J];工程數(shù)學(xué)學(xué)報(bào);2007年03期

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本文編號(hào)：559408