本文關鍵詞：航天器交會對接逼近段自抗擾控制研究

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【摘要】：航天器自主交會對接是完成近地軌道空間站搭建、在軌維護與捕獲、宇航員與科研設備輸送和后勤物資補給等航天領域工程應用的關鍵技術,是我國拓展空間應用研究的前提。本文以空間自主交會對接為背景,研究了最終逼近段航天器位置和姿態(tài)耦合的自抗擾控制及參數優(yōu)化問題。首先,在交會對接逼近段相對動力學建模問題上,引入螺旋運動的概念,將航天器在太空的運動簡化為剛體在空間的平移和旋轉運動,用對偶四元數來統(tǒng)一描述。在建立地球慣性坐標系、航天器本體坐標系和航天器相對坐標系的基礎上,推導單個航天器的運動學方程；并基于動量定理,結合對偶代數理論導出單個航天器的動力學模型。由追蹤航天器和目標航天器各自本體坐標系間的相對螺旋運動導出其相對運動學方程,進一步推導出相對動力學方程,并分析證明了兩航天器間相對運動的平移線速度和旋轉角速度是相互耦合的。然后,基于上述耦合動力學模型,在轉動慣量時變和外界干擾不確定的情況下,應用干擾估計與補償的理論,設計了串級自抗擾控制器。通過設計虛擬控制量使系統(tǒng)輸出快速跟蹤期望值,擴張狀態(tài)觀測器根據系統(tǒng)的輸入和輸出數據,實時給出對象狀態(tài)變量和總和擾動(加速度實時作用量)的估計值,非線性誤差反饋律用擾動的估計值對控制量進行動態(tài)補償,保證了航天器交會對接最終逼近段的相對速度、位置和姿態(tài)跟蹤誤差在較短時間內收斂到期望值。選取合適的參數進行數值仿真,結果表明串級自抗擾控制方案在兩航天器近距離相對速度和位姿耦合跟蹤控制方面,具有較強的魯棒性和抑制干擾能力,能夠滿足航天器交會對接逼近段的高精度控制要求。最后,初步研究了自抗擾控制器的參數選取與優(yōu)化問題。結合航天器交會對接逼近段位姿耦合的自抗擾控制模型,選取適應度函數時考慮控制能量輸出的因素,在時間乘絕對誤差積分的性能指標中加入控制力和力矩的平方項,并分別設定權值。仿真研究發(fā)現,用粒子群算法進行優(yōu)化時,在參數的不同取值區(qū)間上出現了局部最優(yōu)和早熟現象。于是,在分析粒子群算法中參數選取范圍和粒子運動速度會影響其收斂性的基礎上,利用混沌變量的多樣性和遍歷性特點來彌補標準粒子群算法的不足。仿真結果驗證了混沌優(yōu)化思想在自抗擾控制器參數優(yōu)化應用中的有效性。
【關鍵詞】：自主交會對接 逼近段控制 對偶四元數 自抗擾 參數優(yōu)化
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-17
• 1.1 課題來源及研究背景9-10
• 1.1.1 課題來源9
• 1.1.2 課題研究背景9-10
• 1.2 交會對接研究進展與現狀10-14
• 1.2.1 交會對接發(fā)展現狀10-13
• 1.2.2 交會對接控制研究現狀13-14
• 1.3 論文主要工作14-17
• 第2章 交會對接逼近段相對運動建模與分析17-29
• 2.1 對偶四元數理論17-20
• 2.1.1 四元數17-18
• 2.1.2 對偶數18-19
• 2.1.3 對偶四元數19-20
• 2.2 坐標系20-21
• 2.3 單個航天器運動學建模21-23
• 2.4 單個航天器動力學建模23-25
• 2.5 航天器相對耦合動力學建模25-28
• 2.6 本章小結28-29
• 第3章 交會對接逼近段ADRC設計與仿真29-45
• 3.1 自抗擾控制器29-33
• 3.1.1 ADRC的發(fā)展及應用29-31
• 3.1.2 ADRC的結構31
• 3.1.3 ADRC的離散動態(tài)方程31-33
• 3.2 交會對接逼近段串級ADRC設計33-34
• 3.3 虛擬控制量設計34
• 3.4 擴張狀態(tài)觀測器與誤差反饋律設計34-35
• 3.5 數值仿真結果35-40
• 3.6 魯棒性與干擾抑制分析40-44
• 3.7 本章小結44-45
• 第4章 交會對接逼近段ADRC參數優(yōu)化與仿真45-61
• 4.1 適應度函數選取45-47
• 4.2 問題描述47
• 4.3 基于PSO算法的交會對接逼近段ADRC優(yōu)化與仿真47-51
• 4.3.1 粒子群算法47-48
• 4.3.2 算法設計過程48-49
• 4.3.3 仿真結果與分析49-51
• 4.4 基于CPSO算法的交會對接逼近段ADRC優(yōu)化與仿真51-59
• 4.4.1 混沌粒子群算法51-53
• 4.4.2 算法設計過程53
• 4.4.3 仿真結果與分析53-59
• 4.5 本章小結59-61
• 第5章 總結與展望61-63
• 5.1 全文總結61-62
• 5.2 展望62-63
• 參考文獻63-69
• 作者簡介及科研成果69-71
• 致謝71

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前3條

1 朱仁璋;王鴻芳;徐宇杰;魏羽良;;美國航天器交會技術研究[J];航天器工程;2011年05期

2 朱仁璋;王鴻芳;肖清;徐宇杰;;蘇/俄交會對接技術研究[J];航天器工程;2011年06期

3 韓京清;自抗擾控制器及其應用[J];控制與決策;1998年01期

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本文編號：753322