【摘要】：隨著空間科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,航天器在軌任務(wù)的復(fù)雜性和多樣性需求也與日俱增�？煽康能壍琅c姿態(tài)控制是航天器實(shí)現(xiàn)所有空間任務(wù)的基礎(chǔ)保證。對(duì)于傳統(tǒng)的單航天器系統(tǒng),標(biāo)準(zhǔn)做法是將其軌道與姿態(tài)控制器單獨(dú)設(shè)計(jì);但為實(shí)施新興的多航天器臨近操作任務(wù),追蹤航天器通常需同時(shí)進(jìn)行對(duì)目標(biāo)航天器的相對(duì)位置跟蹤和姿態(tài)同步。本文致力于解決兩航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)位姿一體化控制問題,相關(guān)理論結(jié)果可為諸如繞飛、懸停、在軌監(jiān)測(cè)或裝配、燃料加注、交會(huì)對(duì)接、空間對(duì)抗等在內(nèi)的臨近操作任務(wù)的成功實(shí)施提供先決條件。本文以實(shí)現(xiàn)航天器位姿一體化控制為總體目標(biāo),并充分考慮臨近操作任務(wù)中可能會(huì)面臨的不確定性和外部干擾、輸入約束、高精度控制和快速機(jī)動(dòng)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障等實(shí)際問題,設(shè)計(jì)了多個(gè)位姿一體化控制方案,具體來說:首先,將航天器臨近操作任務(wù)劃分為軌道調(diào)整、繞飛和交會(huì)對(duì)接三個(gè)階段�？紤]到在軌道調(diào)整階段由于軌道半徑和軌道傾角的改變所產(chǎn)生的的持續(xù)變化的空間干擾不確定性問題,引入一個(gè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器來克服擾動(dòng)帶來的不確定性。將相對(duì)軌道控制的擾動(dòng)抑制問題轉(zhuǎn)化為一類特殊非線性系統(tǒng)的全局鎮(zhèn)定問題,通過綜合運(yùn)用內(nèi)模理論和魯棒控制理論,保證了閉環(huán)系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定。其次,針對(duì)具有輸入約束和外部干擾的位姿一體化跟蹤控制問題,通過建立一個(gè)耦合的六自由度相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型來描述繞飛任務(wù)。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種基于輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性的基本控制器。為處理輸入飽和問題,引入了一種新的基于死區(qū)算子的飽和模型。然后,結(jié)合自適應(yīng)技術(shù)與反步法理論,提出了一種不需要外部擾動(dòng)上界先驗(yàn)知識(shí)的飽和控制方案。然后,針對(duì)存在系統(tǒng)不確定性和外部擾動(dòng)的航天器交會(huì)對(duì)接位姿一體化控制任務(wù),利用非奇異積分終端滑模方法,提出了一種新的有限時(shí)間控制方案。特別是通過采用自適應(yīng)技術(shù),所提出的控制策略避免了對(duì)集總系統(tǒng)不確定性上界的先驗(yàn)知識(shí)的要求,并且證明了所設(shè)計(jì)的控制器能夠保證平移和旋轉(zhuǎn)跟蹤誤差在有限時(shí)間內(nèi)局部收斂于零。此外,利用邊界層技術(shù)對(duì)抖振現(xiàn)象進(jìn)行了有效的修正。最后,針對(duì)具有執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的臨近操作位姿一體化控制問題,改進(jìn)六自由度動(dòng)力學(xué)模型,使其可以描述包括部分失效、輸出漂移、完全失效和卡死在內(nèi)的典型執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障類型。隨后,提出了一種基本的魯棒容錯(cuò)控制器,以調(diào)節(jié)執(zhí)行器的故障并且保證系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上,充分考慮可能的輸入飽和現(xiàn)象,設(shè)計(jì)了一種新穎的自適應(yīng)容錯(cuò)控制方案。進(jìn)一步證明了該控制器在輸入飽和的情況下仍具有容錯(cuò)能力,并保證了相對(duì)位姿跟蹤誤差收斂到原點(diǎn)附近。論文對(duì)上述所提出的各種航天器位姿一體化控制方案開展了充分的數(shù)值仿真,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)算法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V448.2
【圖文】：

航天器臨近操作是指在空間操作任務(wù)中，某個(gè)在軌航天器因特定任務(wù)的需逡逑要，謹(jǐn)慎地與另一空間目標(biāo)維持較近的相對(duì)距離以及特定的相對(duì)姿態(tài)，以備后續(xù)逡逑操作［３，４］。根據(jù)這一定義，如圖１．１所示，這類空間操作包括由一在軌航天器自主逡逑１逡逑

因?yàn)槿蝿?wù)與控制目標(biāo)相對(duì)獨(dú)立，在過去的文獻(xiàn)里，標(biāo)準(zhǔn)做法是將其軌道逡逑運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)單獨(dú)建模，然后再基于各自模型分開進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)，其控制系逡逑統(tǒng)框圖如圖１．２所示。逡逑；邐航夭器軌ｉｔ控制系統(tǒng)邋邐邋；逡逑！邐擾動(dòng)力逡逑ｉ逡逑！邐；逡逑ｉ邐ｉ逡逑Ｉ邐？逡逑！邐邐１邐位置與線速度信息邐Ｉ逡逑邐傳感器邐；逡逑ｉ邐Ｌ￣Ｊ邐；逡逑！邐航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)邐丨逡逑Ｉ邐邋邋＜逡逑；邐擾動(dòng)力矩邐Ｉ逡逑ｉ邐V灣澹紓紓徨澹瑁哄義希殄危懾義希懾�？辶x希懾�？辶x希苠�？辶x希懾�？辶x希誨五危潁蓿潁欏�？辶x希懾危睿恚酰睿酰睿樨插危煎義希懾�？辶x襄五邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋邋澹咤澹咤濉濉濉澹咤濉濉濉濉濉邋邋邋邋濉濉濉濉濉澹叔義賢跡保泊澈教炱骺刂葡低沖義險(xiǎn)庵紙詮旌教炱韉墓斕澇碩妥頌碩胺侄沃鋇乃枷爰蚧松杓棋義系母叢傭齲⑶矣捎諂浞洗車ズ教炱韉娜撾裉氐�，因而经过几十年的发展，辶x顯諳喙乜刂評(píng)礪哿煊蠔褪導(dǎo)使こ逃τ彌卸薊哿朔崴兜某曬�。随着航天器辶x瞎斕攬刂坪妥頌刂頻燃際醯娜漲鞒墑煊肟占渚赫鬧鸞ド

本文編號(hào)：2749079