航天器近距离运动的鲁棒姿轨联合控制.pdf

国内图书分类号:TP273 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工工工学学学博博博士士士学学学位位位论论论文文文
航天器近距离运动的鲁棒姿轨联合控制
博士研究生:张烽
导师:段广仁教授
申请学位:工学博士
学科:控制科学与工程
所在单位:航天学院
答辩日期:2013 年 3 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: TP273
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
ROBUST INTEGRATED ATTITUDE AND
ORBIT CONTROL FOR PROXIMITY
MOTION OF SPACECRAFT
Candidate: Zhang Feng
Supervisor: Prof. Duan Guangren
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Specialty: Control Science and Engineering
Affiliation: School of Astronautics
Date of Defence: Mar, 2013
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
航天器的姿态与轨道控制是空间任务成功与否的关键。随着空间需求的日
益增多,特别是对于以在轨服务、编队飞行、行星软着陆过程的终端着陆和空
间拦截等为代表的空间近距离运动任务,航天器在受控飞行过程中,其位姿需
要快速地、同时地满足高精度的控制要求。传统的航天器姿轨独立控制方式已
逐渐不能满足这些新型空间任务的控制精度及机动性能的需求。相比之下,航
天器的姿轨联合控制方式能够充分考虑并利用姿态动力学与轨道动力学之间
的耦合关系,将两者视为整体,采用统一的控制算法同时调整星体位姿,从系
统和全局角度来处理问题,能够从本质上提高任务的控制精度和机动性能。因
此,研究航天器近距离运动的姿轨联合控制具有非常重要的理论意义与工程应
用价值。本论文以航天器的两类近距离运动任务——空间近距离操作和空间相
对轨道机动为研究背景,对航天器近距离运动的姿态轨道一体化建模与控制进
行了研究,主要内容包括:
建立了面向两类空间近距离运动任务的航天器姿轨耦合动力学模型。根据
空间近距离操作和空间相对轨道机动的任务特点,分别提出了控制机构的配置
方案,在此基础上,分析航天器姿态与轨道之间的耦合关系,建立了对应的姿
轨耦合动力学模型。根据执行机构配置方式的不同,两类动力学模型分别表现
为全驱动系统和欠驱动系统。
针对空间近距离操作任务,为充分利用执行机构全驱动控制特点,以提高
系统的机动性能及控制精度,研究了航天器姿轨联合有限时间控制问题。针对
这一问题,本文提出了基于轨迹跟踪思想的鲁棒姿轨联合有限时间控制律,通
过设计一类动态性能良好且有限时间收敛的运动轨迹,将有限时间控制问题等
价地转化为对设计轨迹的跟踪问题,并利用自适应Backstepping技术设计了控
制律,使得航天器的位姿在星体质量特性未知,推力器安装误差和外界干扰存
在的情况下,在预定的时间内达到期望值。另外,考虑到控制算法中对执行机
构安装误差的补偿项使得控制输入指令不易求取,提出了一种基于优化思想的
控制输入计算方法,保证推力输入指令的在线实时解算。随后针对系统中可能
出现的“振颤”现象进行了分析,并改进了控制算法,给出了严格的稳定性分析。
数值仿真验证了所设计的有限时间控制律的有效性。
同样针对空间近距离操作任务,考虑到实际中执行机构幅值受限,研
究了含有控制饱和的航天器姿轨联合控制问题,并进一步研究了含有控制
饱和的有限时间姿轨联合控制问题。首先,基于抗饱和控制思想,结合自适
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
应Backstepping技术,提出了具有抗饱和能力的鲁棒姿轨联合控制律,通过在虚
拟控制中引入一个辅助信号,并对其动力学的巧妙设计,有效补偿了控制饱和
误差带来的系统性能损失。随后,为兼顾抗饱和能力及有限时间控制律的强机
动性和高控制精度,将已设计的鲁棒有限时间控制律和抗饱和控制律结合,基
于切换思想,提出了抗饱和鲁棒有限时间姿轨联合控制律,并基于切换系统理
论给出了闭环系统的稳定性分析。仿真结果表明,初期运行的抗饱和控制律能
够有效处理执行机构饱和问题,当系统退饱和且满足给定的切换条件时