本文關(guān)鍵詞：航天器相對運動姿軌耦合二階滑�？刂蒲芯�

  更多相關(guān)文章： 航天器 相對運動 姿軌耦合控制 滑�？刂� 二階滑模

【摘要】：空間交會對接是航天領(lǐng)域的重要研究方向之一,以其重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟價值受到廣泛重視。就空間技術(shù)的發(fā)展狀況來看,傳統(tǒng)空間應(yīng)用中對合作目標的交會對接技術(shù)已日趨成熟,而對非合作目標的交會對接和�？考夹g(shù)則處于飛速發(fā)展階段,具有廣闊的應(yīng)用前景,如空間碎片捕獲、在軌服務(wù)以及空間攔截等。不同于對合作目標的交會對接,對非合作目標的交會對接過程由于目標航天器無法主動提供精確的位姿信息,從而給相對位姿的控制技術(shù)帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。此外,在航天器的末端交會過程中,航天器的軌道控制和姿態(tài)控制間存在著嚴重的耦合作用,傳統(tǒng)軌道控制和姿態(tài)控制“分而治之”的控制策略已無法滿足新形勢下對高精度控制的要求。所以,考慮一體化建模與控制方式的航天器姿軌耦合控制在理論和工程應(yīng)用中均具有重要價值。本文以對非合作目標的末端交會過程為研究背景,對航天器姿軌耦合控制的二階滑模控制算法進行了深入的研究。此外,在動態(tài)滑�？刂破髟O(shè)計、任意階滑�？刂�、二階滑模的抗飽和控制以及逼近完全非合作目標的二階滑模算法等問題中也取得了一定的研究成果。本文的主要研究內(nèi)容包括:針對傳統(tǒng)建模方法依賴于高精度相對導(dǎo)航濾波的問題,基于視線坐標系推導(dǎo)了適用于任意軌道形式且無需復(fù)雜濾波的航天器姿軌耦合動力學(xué)模型,并作為后文控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的基礎(chǔ)。針對滑模抖顫及系統(tǒng)不確定性影響高精度姿軌耦合控制的問題,研究了航天器姿軌耦合的二階滑�？刂茊栴}。首先,將動態(tài)滑模與終端滑模相結(jié)合,改進了一類非線性系統(tǒng)的一階及任意階動態(tài)滑�？刂坡稍O(shè)計方法。其次,通過對追蹤航天器參考軌跡的設(shè)計,將航天器間的相對位置控制和姿態(tài)同步旋轉(zhuǎn)問題轉(zhuǎn)化為對參考軌跡的跟蹤問題。最后,將動態(tài)滑模與終端滑模相結(jié)合,并通過設(shè)計估計復(fù)合干擾導(dǎo)數(shù)上界的自適應(yīng)律,提出了自適應(yīng)二階終端滑�？刂坡刹⒔o出了嚴格的穩(wěn)定性分析。所設(shè)計的控制律可消除滑模抖顫問題且同時兼顧滑動模態(tài)的不變性,數(shù)值仿真驗證了所設(shè)計控制律的有效性。針對逼近非合作目標過程中需要高精度和強機動控制的問題,研究了航天器姿軌耦合的有限時間控制問題。首先將任意階滑�？刂茊栴}轉(zhuǎn)化為含不確定性的n重積分鏈的控制問題,并針對n重積分鏈系統(tǒng)基于齊次理論提出了含線性補償和切換機制的有限時間控制律,該控制律可使系統(tǒng)狀態(tài)在遠離和接近平衡點時均有較快的收斂速度。其次,設(shè)計了兩類任意階終端滑模面,即可令任意階系統(tǒng)狀態(tài)在有限時間內(nèi)鎮(zhèn)定的一類終端滑模面及其含線性補償和切換機制的改進形式。在此基礎(chǔ)上,針對任意階滑�？刂�,設(shè)計了任意階終端滑模控制律。最后,為實現(xiàn)航天器姿軌耦合高精度和強機動的控制目標,基于前述任意階滑�？刂品椒�,提出了航天器姿軌耦合二階滑模有限時間控制律,該控制律消除了滑模抖顫且兼顧滑動模態(tài)的不變性。針對航天器姿軌耦合控制中存在執(zhí)行機構(gòu)飽和的問題,重點研究了航天器姿軌耦合控制的二階滑模抗飽和控制問題。為建立關(guān)于滑�？癸柡涂刂频挠嘘P(guān)理論,首先提出了飽和型滑模面的概念并給出三類飽和型滑模面的嚴格定義,進一步研究了考慮控制輸入約束的任意階滑模控制律的存在條件。其次,重點研究了考慮控制輸入飽和約束的二階滑�？刂茊栴},提出了基于飽和型滑模面的二階滑模抗飽和控制律的改進設(shè)計方法及其含冪次項的改進形式,并分別給出了嚴格的數(shù)學(xué)證明以及抗飽和控制律的參數(shù)選取規(guī)則,從而有效克服了滑�？刂频妮斎腼柡蛦栴}。最后,在上述研究基礎(chǔ)上,針對考慮執(zhí)行機構(gòu)飽和的航天器姿軌耦合控制問題,設(shè)計了航天器姿軌耦合二階滑模抗飽和控制律。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計控制律具有良好的抗飽和性能。最后,研究了逼近完全非合作目標的二階滑�？刂茊栴}以及二階滑模算法的對比分析和性能評價。針對逼近完全非合作目標的航天器姿軌耦合控制問題,綜合考慮抖顫消除、收斂速度以及控制輸入飽和約束等因素,設(shè)計了一類航天器姿軌耦合二階滑模控制律。此外,考慮到二階滑模算法進一步理論研究及工程應(yīng)用的需要,本文在大量仿真實驗和理論分析的基礎(chǔ)上,對本文提出的四種二階滑模算法與經(jīng)典Super Twisting二階滑模算法進行對比分析和性能評價,進一步得出有關(guān)結(jié)論。首先,以逼近完全非合作目標為應(yīng)用背景,將Super Twisting算法與本文提出的四種二階滑模算法分別應(yīng)用于該控制問題中,在此基礎(chǔ)上分別給出了仿真分析。其次,以上述仿真分析為研究基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)來源,對前述五種二階滑模算法的控制性能進行對比分析。在此基礎(chǔ)上,給出了五種算法的綜合評價,歸納了各自的主要優(yōu)缺點。最后,以結(jié)論的形式概要歸納了本文所提四種二階滑模算法及Super Twisting算法的控制性能以及各自特點。
【關(guān)鍵詞】：航天器 相對運動 姿軌耦合控制 滑�？刂� 二階滑模
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-14
• 第1章 緒論14-27
• 1.1 課題背景及意義14-17
• 1.2 姿軌耦合控制及相關(guān)問題研究現(xiàn)狀17-24
• 1.2.1 航天器姿軌耦合建模方法研究現(xiàn)狀17-20
• 1.2.2 航天器姿軌耦合控制方法研究現(xiàn)狀20-22
• 1.2.3 姿軌耦合控制設(shè)計中面臨的問題22-23
• 1.2.4 滑�？刂评碚撗芯楷F(xiàn)狀23-24
• 1.3 本文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排24-27
• 第2章 航天器姿軌耦合動力學(xué)建模及預(yù)備知識27-43
• 2.1 引言27
• 2.2 基本坐標系27-29
• 2.3 航天器姿軌耦合動力學(xué)建模29-34
• 2.3.1 基于視線坐標系的相對軌道動力學(xué)29-32
• 2.3.2 相對姿態(tài)動力學(xué)32-34
• 2.3.3 航天器姿軌耦合動力學(xué)模型34
• 2.4 滑�？刂评碚摷邦A(yù)備知識34-42
• 2.4.1 預(yù)備知識35-37
• 2.4.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制37-38
• 2.4.3 滑動模態(tài)的不變性38-39
• 2.4.4 傳統(tǒng)滑模控制理論39-42
• 2.5 本章小結(jié)42-43
• 第3章 基于動態(tài)滑模的航天器姿軌耦合二階滑�？刂�43-68
• 3.1 引言43
• 3.2 一類多輸入多輸出非線性系統(tǒng)改進的任意階動態(tài)滑�？刂坡稍O(shè)計43-50
• 3.2.1 動態(tài)滑模定義43-45
• 3.2.2 一類非線性系統(tǒng)的一階動態(tài)滑模控制律設(shè)計45-49
• 3.2.3 一類非線性系統(tǒng)的任意階動態(tài)滑�？刂坡稍O(shè)計49-50
• 3.3 基于動態(tài)滑模的航天器姿軌耦合自適應(yīng)二階終端滑�？刂坡稍O(shè)計50-60
• 3.3.1 問題描述50-52
• 3.3.2 參考軌跡設(shè)計52-55
• 3.3.3 航天器姿軌耦合自適應(yīng)二階終端滑模控制律設(shè)計55-60
• 3.4 仿真分析60-67
• 3.5 本章小結(jié)67-68
• 第4章 基于齊次理論的航天器姿軌耦合二階滑模有限時間控制68-91
• 4.1 引言68-69
• 4.2 基于齊次理論的任意階終端滑�？刂坡稍O(shè)計69-82
• 4.2.1 問題描述及相關(guān)引理69-71
• 4.2.2 N重積分鏈系統(tǒng)的有限時間控制律設(shè)計71-75
• 4.2.3 基于齊次理論的任意階終端滑模面設(shè)計75-78
• 4.2.4 基于齊次理論的任意階終端滑�？刂坡稍O(shè)計78-82
• 4.3 基于齊次理論的航天器姿軌耦合二階滑模有限時間控制律設(shè)計82-85
• 4.3.1 問題描述83-84
• 4.3.2 航天器姿軌耦合二階滑模有限時間控制律設(shè)計84-85
• 4.4 仿真分析85-89
• 4.5 本章小結(jié)89-91
• 第5章 基于飽和型滑模面的航天器姿軌耦合二階滑模抗飽和控制91-119
• 5.1 引言91-92
• 5.2 基于飽和型滑模面的任意階滑�？刂坡稍O(shè)計92-99
• 5.2.1 飽和型滑模面概念的提出92-95
• 5.2.2 問題描述95-96
• 5.2.3 基于飽和型滑模面的任意階滑�？刂坡稍O(shè)計96-99
• 5.3 基于飽和型滑模面的二階滑�？癸柡涂刂坡稍O(shè)計99-111
• 5.3.1 問題描述100
• 5.3.2 基于飽和型非奇異快速終端滑模面的二階滑模抗飽和控制律設(shè)計100-107
• 5.3.3 含冪次項改進的二階滑�？癸柡涂刂坡稍O(shè)計107-111
• 5.4 基于飽和型滑模面的航天器姿軌耦合二階滑�？癸柡涂刂坡稍O(shè)計111-113
• 5.4.1 問題描述111-112
• 5.4.2 航天器姿軌耦合二階滑模抗飽和控制律設(shè)計112-113
• 5.5 仿真分析113-118
• 5.6 本章小結(jié)118-119
• 第6章 二階滑模算法在逼近完全非合作目標中的應(yīng)用及算法對比評價119-146
• 6.1 引言119-120
• 6.2 一類逼近完全非合作目標的航天器姿軌耦合二階滑�？刂坡稍O(shè)計120-128
• 6.2.1 問題描述120-122
• 6.2.2 航天器姿軌耦合自適應(yīng)二階滑模控制律設(shè)計122-124
• 6.2.3 仿真分析124-128
• 6.3 二階滑模算法在逼近完全非合作目標中的應(yīng)用及算法對比評價128-145
• 6.3.1 Super Twisting算法在逼近完全非合作目標中的應(yīng)用及仿真分析130-132
• 6.3.2 本文二階滑模算法在逼近完全非合作目標中的應(yīng)用及仿真分析132-140
• 6.3.3 二階滑模算法的對比分析及性能評價140-145
• 6.4 本章小結(jié)145-146
• 結(jié)論146-149
• 參考文獻149-164
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文164-166
• 致謝166-167
• 個人簡歷167

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本文編號：895714