本文關鍵詞：冗余配置航天器推力動態(tài)分配方法研究

  更多相關文章： 過驅動航天器 推力動態(tài)分配 姿軌一體化 燃料均衡 不確定性

【摘要】：推力器是一類能夠用于航天器軌道控制和姿態(tài)控制的特殊執(zhí)行機構,在大量航天任務上得以應用。為提高航天器的機動能力和在軌運行可靠性,高性能航天器通常配置了遠多于控制自由度數(shù)量的推力器,使得由期望控制量到推力器的分配方案并不唯一,控制分配技術為過驅動航天器的推力動態(tài)分配提供了一條有效解決途徑。本論文在教育部博士點基金項目“航天器及航天器編隊的動態(tài)控制分配問題研究”和國家國防科工局民用航天“十二五”預研項目“×××模塊化衛(wèi)星平臺技術研究”等項目的資助下,圍繞推力器冗余配置航天器控制分配問題,深入探討了軌控優(yōu)先姿軌一體化控制、編隊燃料均衡和推力器負載均衡以及魯棒推力分配等多方面,提出了多種適應不同需求的推力動態(tài)分配算法,取得了如下研究成果:推力在軌動態(tài)分配是影響推力器控制系統(tǒng)性能的關鍵,傳統(tǒng)上采用的固定列表法面臨存儲數(shù)據(jù)量大、無法處理推力器故障等問題。為此,提出了一種基于凸錐分析的過驅動航天器離線/在線混合推力動態(tài)分配法,并給出了凸錐在線部分修訂算法。該方法利用由推力頂點張成的凸錐離線制定出所有可能的推力器組合,依據(jù)期望控制量在線選擇推力器組合凸錐并確定組合內(nèi)推力器的開關狀態(tài),推力器故障時通過對受影響凸錐的在線修訂實現(xiàn)故障隔離。該方法采用凸錐分析數(shù)學手段離線制定列表,能夠有效應對復雜推力器布局的列表制定,顯著降低了在軌計算量,且通過故障推力器影響凸錐的在線修訂有效應對在軌故障。最后,同燃料最優(yōu)、基于代數(shù)法的查表法等進行仿真對比,結果表明燃料使用效率基本一致的前提下,平均分配誤差降低了26.85%,驗證了所提方法的可行性和有效性。推力器是一類既能用于軌道控制又可用于姿態(tài)控制的特殊執(zhí)行機構,如何利用推力器進行航天器的軌道和姿態(tài)控制成為高性能航天器的關鍵問題。為進一步降低在軌燃料消耗,提出了一種優(yōu)先滿足軌控并在不消耗額外燃料情況下盡可能提供姿控力矩的軌控優(yōu)先姿軌一體化控制策略,給出了基于可達集的軌控優(yōu)先姿軌一體化推力器分配方法,分別設計了基于可達集修正因子的凸松弛優(yōu)化算法,以及依據(jù)效率矩陣和推力器布局特性的降維優(yōu)化求解算法。在保證軌道控制期望控制力的前提下,盡可能實現(xiàn)所需的控制力矩,有效降低了燃料消耗量。最后,對所提算法進行了數(shù)學仿真,驗證了算法的可行性和有效性。推力器相關的各種不確定性會導致燃耗增加、姿軌改變、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時間增加、控制器性能降低等問題。以最小結構奇異值定量刻畫包含冗余配置推力器的系統(tǒng)魯棒性能,探索了具有魯棒性能的冗余推力器布局設計的可行性,并采用橢球不確定集描述推力器系統(tǒng)的多種不確定性,將不確定優(yōu)化問題轉化為確定性優(yōu)化模型,提出了一種基于最優(yōu)化的航天器魯棒推力分配方法,優(yōu)化了求解效率,提高了對推力器不確定性的魯棒性能。仿真結果表明在控制效率矩陣具有5%-20%的隨機誤差時,累積分配誤差和最大分配誤差可以減小15%以上。推力器是實現(xiàn)航天器編隊控制進而完成協(xié)同任務的關鍵,編隊任務壽命取決于燃料消耗最大的成員航天器壽命,需要在編隊協(xié)同控制中考慮燃料平衡問題。將編隊成員航天器作為一類提供三軸控制的“虛擬推力器”,提出了一種航天器編隊燃料均衡控制方法和成員航天器推力器負載均衡方法,在定義平衡度和干擾敏感度等性能指標的基礎上給出了一種分配算法燃料均衡能力的定量化評價方法,有效實現(xiàn)了成員航天器控制過程中的燃料均衡,進而延長了航天器編隊系統(tǒng)任務壽命。分別針對初始燃料相同和不同等情況的編隊燃料均衡重構控制以及推力器負載均衡控制等進行仿真,結果表明所提出的均衡算法能有效提升成員航天器燃料消耗和推力器的平衡度,對擾動誤差不敏感,魯棒性強。
【關鍵詞】：過驅動航天器 推力動態(tài)分配 姿軌一體化 燃料均衡 不確定性
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-31
• 1.1 課題背景及研究的目的與意義14-15
• 1.1.1 課題來源14
• 1.1.2 課題研究的目的和意義14-15
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析15-28
• 1.2.1 典型冗余配置推力器航天任務16-18
• 1.2.2 航天器推力器分配問題18-19
• 1.2.3 控制分配方法19-28
• 1.3 論文的主要研究內(nèi)容28-31
• 第2章 航天器動力學及控制分配算法31-51
• 2.1 引言31
• 2.2 航天器動力學與控制31-34
• 2.2.1 坐標系定義31-32
• 2.2.2 航天器動力學模型32-33
• 2.2.3 姿態(tài)控制33-34
• 2.3 推力器分配模型及分配方法34-38
• 2.3.1 推力器分配的數(shù)學模型34-35
• 2.3.2 控制分配方法35-38
• 2.4 航天器編隊重構控制38-50
• 2.5 本章小結50-51
• 第3章 基于凸錐分析的航天器推力離線/在線混合動態(tài)分配法51-72
• 3.1 引言51-52
• 3.2 基于預定列表的推力器分配模型52-54
• 3.2.1 問題描述52-53
• 3.2.2 推力離線/在線混合動態(tài)分配法53-54
• 3.3 基于凸錐的推力器列表離線制定方法54-59
• 3.3.1 推力器組合表的代數(shù)確定方法54-55
• 3.3.2 凸多棱錐確定推力器列表原理55-58
• 3.3.3 推力器組合列表制定算法流程58-59
• 3.4 考慮ON-OFF工作模式的在線查表法59-63
• 3.4.1 基于錐面方程的推力器組合選擇59-60
• 3.4.2 面向最小分配誤差的推力器開關狀態(tài)確定60-61
• 3.4.3 凸錐在線修訂方法61-63
• 3.5 仿真與結果分析63-71
• 3.5.1 推力組合分配算法開環(huán)仿真63-68
• 3.5.2 推力組合分配算法閉環(huán)仿真68-71
• 3.6 本章小結71-72
• 第4章 軌控優(yōu)先的姿軌一體化推力分配算法72-94
• 4.1 引言72
• 4.2 姿軌一體化推力器分配問題描述72-74
• 4.2.1 姿軌一體化推力器分配模型73
• 4.2.2 軌控優(yōu)先的推力分配73-74
• 4.3 基于可達集的軌控優(yōu)先推力分配算法74-87
• 4.3.1 可達集修正因子74-83
• 4.3.2 凸松弛優(yōu)化方法83-87
• 4.4 仿真與結果分析87-93
• 4.5 本章小結93-94
• 第5章 考慮不確定性的航天器魯棒推力分配方法94-112
• 5.1 引言94
• 5.2 冗余推力器配置與分析94-98
• 5.2.1 問題描述95
• 5.2.2 魯棒性建�；A95-97
• 5.2.3 推力器布局設計97-98
• 5.3 魯棒推力分配算法98-107
• 5.3.1 問題描述99-101
• 5.3.2 魯棒控制分配101-107
• 5.4 仿真與結果分析107-111
• 5.5 本章小結111-112
• 第6章 考慮燃料平衡的航天器編隊重構控制算法112-141
• 6.1 引言112-113
• 6.2 航天器編隊燃料均衡建模113-116
• 6.2.1 問題描述113-114
• 6.2.2 燃料均衡模型114-116
• 6.3 考慮燃料均衡的編隊重構控制策略116-122
• 6.3.1 初始質量相同的均衡策略116-119
• 6.3.2 初始質量不同的均衡策略119-122
• 6.4 負載均衡的航天器推力分配122-126
• 6.4.1 問題描述122-124
• 6.4.2 負載均衡分配算法124-126
• 6.5 仿真與結果分析126-140
• 6.5.1 編隊燃料均衡重構控制126-135
• 6.5.2 負載均衡推力分配135-140
• 6.6 本章小結140-141
• 結論141-144
• 參考文獻144-153
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其他成果153-155
• 致謝155-156
• 個人簡歷156

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 孫楚仁;黃蕾;;魯棒線性最優(yōu)化的若干擴展(英文)[J];工程數(shù)學學報;2007年03期

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本文編號：559408