本文關(guān)鍵詞：基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器空間站姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理

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【摘要】：空間站技術(shù)代表著航天技術(shù)最全面、最先進(jìn)的水平,在各國的航天技術(shù)發(fā)展中得到極大的重視�？臻g站作為大型復(fù)雜的航天器,其質(zhì)量大外擾強(qiáng),但長設(shè)計(jì)壽命要求使得其姿態(tài)控制不同于普通航天器。強(qiáng)干擾使得空間站執(zhí)行機(jī)構(gòu)—制力矩陀螺(Control Moment Gyros,CMGs)會(huì)快速飽和而需要頻繁卸載,這又會(huì)導(dǎo)致燃料的消耗,影響其在軌壽命。如何保證CMG不飽和的情況下完成長期姿態(tài)控制,成為了空間站所特有的問題,這也就是空間站姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理(Attitude Control and Momentum Management,ACMM)需要解決的問題。我國的空間站項(xiàng)目已經(jīng)立項(xiàng),對空間站的ACMM控制技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)也迫在眉睫。目前國內(nèi)外盛行的ACMM控制器都是基于內(nèi)模原理(Internal Model Principle,IMP)對干擾進(jìn)行抑制從而實(shí)現(xiàn)空間站的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理,其中以國際空間站使用的基于內(nèi)模原理的LQR算法最為經(jīng)典�；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀,本文通過設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(Extended State Observer,ESO)實(shí)時(shí)估算補(bǔ)償干擾,結(jié)合LQR算法設(shè)計(jì)控制律來實(shí)現(xiàn)空間站的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理。本文的研究成果和貢獻(xiàn)具體如下:(1)首次將擴(kuò)張狀態(tài)觀測器運(yùn)用到空間站的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理中。針對空間站的ACMM模型建立了三階線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(Linear Extended State Observer,LESO)和非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(Noninear Extended State Observer,NLESO)估算空間站的姿態(tài)、角速度和干擾總和。通過分析空間站實(shí)際運(yùn)行中姿態(tài)和角速度可由測量系統(tǒng)提供,擴(kuò)張狀態(tài)觀測器可降階優(yōu)化,設(shè)計(jì)了更有效率的二階的LESO和NLESO估算空間站的角速度和總和干擾。并對設(shè)計(jì)的LESO分析了穩(wěn)定性。(2)在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn),姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理通過控制量耦合在一起,使得空間站的干擾補(bǔ)償完全不同于普通航天器。在控制量中補(bǔ)償僅加載在AC通道的干擾會(huì)導(dǎo)致MM通道引入額外干擾,因此需要在MM通道抵消補(bǔ)償。文中分析計(jì)算了適用于各軸的合理補(bǔ)償量以保證在抑制干擾的同時(shí)能不引起MM通道角動(dòng)量的積累。在擴(kuò)張狀態(tài)觀測器基礎(chǔ)上結(jié)合LQR控制律,設(shè)計(jì)了兩種合理的補(bǔ)償策略,實(shí)現(xiàn)空間站的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理的均衡,并證明了各策略下系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性。(3)通過大量的仿真,分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的各種擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和補(bǔ)償策略的可行性。將仿真結(jié)果與經(jīng)典的LQR進(jìn)行對比,并在動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度方面縱向比較了各種不同形式的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和補(bǔ)償策略的差異,得到一些有用的結(jié)論。設(shè)計(jì)了基于復(fù)合觀測信息的三階LESO,提升僅基于姿態(tài)角誤差的三階LESO空間站ACMM的性能。(4)針對空間站角速率陀螺故障情況,設(shè)計(jì)了基于三階LESO提供的角速度估值的ACMM控制方案,實(shí)現(xiàn)空間站在無角速度反饋情況下的姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理,并證明了該方案的系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性。通過仿真驗(yàn)證了該故障解決方案的可行性和對干擾以及突變干擾的強(qiáng)跟蹤抑制能力。
【關(guān)鍵詞】：姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器 干擾抑制 線性二次型調(diào)節(jié)器 無角速度反饋
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V476.1;V448
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 緒論15-26
• 1.1 引言15-17
• 1.2 研究現(xiàn)狀17-24
• 1.2.1 空間站姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理的研究現(xiàn)狀17-21
• 1.2.2 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的擾動(dòng)抑制研究現(xiàn)狀21-23
• 1.2.3 無角速度測量的航天器姿態(tài)控制研究現(xiàn)狀23-24
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排24-26
• 第二章 空間站動(dòng)力學(xué)模型及其相關(guān)理論知識(shí)26-37
• 2.1 引言26
• 2.2 動(dòng)力學(xué)建模26-30
• 2.2.1 坐標(biāo)系26-27
• 2.2.2 空間站姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程27-30
• 2.3 基于極點(diǎn)配置的LQR算法30-32
• 2.4 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器32-35
• 2.5 一個(gè)有用的定理35-36
• 2.6 本章小結(jié)36-37
• 第三章 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的空間站姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理37-55
• 3.1 引言37
• 3.2 空間站干擾的LESO的設(shè)計(jì)37-41
• 3.2.1 三階LESO的設(shè)計(jì)38
• 3.2.2 三階LESO的穩(wěn)定性分析38-40
• 3.2.3 二階LESO的設(shè)計(jì)40
• 3.2.4 二階LESO的穩(wěn)定性分析40-41
• 3.3 空間站干擾的NLESO的設(shè)計(jì)41-42
• 3.3.1 三階NLESO的設(shè)計(jì)41
• 3.3.2 二階NLESO的設(shè)計(jì)41-42
• 3.4 空間站姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理補(bǔ)償策略設(shè)計(jì)-142-48
• 3.4.1 補(bǔ)償策略設(shè)計(jì)43-45
• 3.4.2 閉環(huán)穩(wěn)定性分析45-48
• 3.5 空間站姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理補(bǔ)償策略設(shè)計(jì)-248-53
• 3.5.1 補(bǔ)償策略設(shè)計(jì)49-50
• 3.5.2 閉環(huán)穩(wěn)定性分析50-53
• 3.6 本章小結(jié)53-55
• 第四章 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的空間站姿態(tài)控制和動(dòng)量管理性能分析55-82
• 4.1 引言55
• 4.2 補(bǔ)償策略-1 仿真結(jié)果55-62
• 4.2.1 三階LESO仿真結(jié)果56-58
• 4.2.2 二階LESO仿真結(jié)果58-59
• 4.2.3 三階NLESO仿真結(jié)果59-61
• 4.2.4 二階NLESO仿真結(jié)果61-62
• 4.3 補(bǔ)償策略-2 仿真結(jié)果62-69
• 4.3.1 三階LESO仿真結(jié)果62-64
• 4.3.2 二階LESO仿真結(jié)果64-65
• 4.3.3 三階NLESO仿真結(jié)果65-67
• 4.3.4 二階NLESO仿真結(jié)果67-69
• 4.4 仿真結(jié)果分析比較69-70
• 4.4.1 與經(jīng)典LQR的比較69-70
• 4.4.2 不同形式ESO的比較70
• 4.4.3 補(bǔ)償策略-1 和補(bǔ)償策略-2 的比較70
• 4.5 對突變干擾的跟蹤70-77
• 4.5.1 補(bǔ)償策略-1 仿真結(jié)果71-74
• 4.5.2 補(bǔ)償策略-2 仿真結(jié)果74-76
• 4.5.3 結(jié)果分析76-77
• 4.6 基于復(fù)合觀測信息的ACMM控制器77-81
• 4.6.1 補(bǔ)償策略-1 仿真結(jié)果77-79
• 4.6.2 補(bǔ)償策略-2 仿真結(jié)果79-81
• 4.6.3 結(jié)果分析81
• 4.7 本章小結(jié)81-82
• 第五章 無角速度測量的空間站姿態(tài)控制和角動(dòng)量管理82-102
• 5.1 引言82
• 5.2 控制問題描述82-83
• 5.3 基于LESO無角速度測量的空間站ACMM控制策略83-92
• 5.3.1 三階LESO的設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定性分析83
• 5.3.2 控制策略設(shè)計(jì)-183-84
• 5.3.3 控制策略設(shè)計(jì)-1 閉環(huán)穩(wěn)定性分析84-88
• 5.3.4 控制策略設(shè)計(jì)-288-89
• 5.3.5 控制策略設(shè)計(jì)-2 閉環(huán)穩(wěn)定性分析89-92
• 5.4 仿真結(jié)果和分析92-101
• 5.4.1 控制策略設(shè)計(jì)-1 仿真結(jié)果93-97
• 5.4.2 控制策略設(shè)計(jì)-2 仿真結(jié)果97-101
• 5.4.3 結(jié)果分析101
• 5.5 本章小結(jié)101-102
• 結(jié)論與展望102-104
• 參考文獻(xiàn)104-113
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果113-114
• 致謝114-115
• 附件115

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：787421