本文關(guān)鍵詞：航天器交會(huì)對(duì)接逼近段自抗擾控制研究

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【摘要】：航天器自主交會(huì)對(duì)接是完成近地軌道空間站搭建、在軌維護(hù)與捕獲、宇航員與科研設(shè)備輸送和后勤物資補(bǔ)給等航天領(lǐng)域工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),是我國拓展空間應(yīng)用研究的前提。本文以空間自主交會(huì)對(duì)接為背景,研究了最終逼近段航天器位置和姿態(tài)耦合的自抗擾控制及參數(shù)優(yōu)化問題。首先,在交會(huì)對(duì)接逼近段相對(duì)動(dòng)力學(xué)建模問題上,引入螺旋運(yùn)動(dòng)的概念,將航天器在太空的運(yùn)動(dòng)簡化為剛體在空間的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),用對(duì)偶四元數(shù)來統(tǒng)一描述。在建立地球慣性坐標(biāo)系、航天器本體坐標(biāo)系和航天器相對(duì)坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)單個(gè)航天器的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；并基于動(dòng)量定理,結(jié)合對(duì)偶代數(shù)理論導(dǎo)出單個(gè)航天器的動(dòng)力學(xué)模型。由追蹤航天器和目標(biāo)航天器各自本體坐標(biāo)系間的相對(duì)螺旋運(yùn)動(dòng)導(dǎo)出其相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,進(jìn)一步推導(dǎo)出相對(duì)動(dòng)力學(xué)方程,并分析證明了兩航天器間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平移線速度和旋轉(zhuǎn)角速度是相互耦合的。然后,基于上述耦合動(dòng)力學(xué)模型,在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)變和外界干擾不確定的情況下,應(yīng)用干擾估計(jì)與補(bǔ)償?shù)睦碚?設(shè)計(jì)了串級(jí)自抗擾控制器。通過設(shè)計(jì)虛擬控制量使系統(tǒng)輸出快速跟蹤期望值,擴(kuò)張狀態(tài)觀測器根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)給出對(duì)象狀態(tài)變量和總和擾動(dòng)(加速度實(shí)時(shí)作用量)的估計(jì)值,非線性誤差反饋律用擾動(dòng)的估計(jì)值對(duì)控制量進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,保證了航天器交會(huì)對(duì)接最終逼近段的相對(duì)速度、位置和姿態(tài)跟蹤誤差在較短時(shí)間內(nèi)收斂到期望值。選取合適的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真,結(jié)果表明串級(jí)自抗擾控制方案在兩航天器近距離相對(duì)速度和位姿耦合跟蹤控制方面,具有較強(qiáng)的魯棒性和抑制干擾能力,能夠滿足航天器交會(huì)對(duì)接逼近段的高精度控制要求。最后,初步研究了自抗擾控制器的參數(shù)選取與優(yōu)化問題。結(jié)合航天器交會(huì)對(duì)接逼近段位姿耦合的自抗擾控制模型,選取適應(yīng)度函數(shù)時(shí)考慮控制能量輸出的因素,在時(shí)間乘絕對(duì)誤差積分的性能指標(biāo)中加入控制力和力矩的平方項(xiàng),并分別設(shè)定權(quán)值。仿真研究發(fā)現(xiàn),用粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化時(shí),在參數(shù)的不同取值區(qū)間上出現(xiàn)了局部最優(yōu)和早熟現(xiàn)象。于是,在分析粒子群算法中參數(shù)選取范圍和粒子運(yùn)動(dòng)速度會(huì)影響其收斂性的基礎(chǔ)上,利用混沌變量的多樣性和遍歷性特點(diǎn)來彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法的不足。仿真結(jié)果驗(yàn)證了混沌優(yōu)化思想在自抗擾控制器參數(shù)優(yōu)化應(yīng)用中的有效性。
【關(guān)鍵詞】：自主交會(huì)對(duì)接 逼近段控制 對(duì)偶四元數(shù) 自抗擾 參數(shù)優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-17
• 1.1 課題來源及研究背景9-10
• 1.1.1 課題來源9
• 1.1.2 課題研究背景9-10
• 1.2 交會(huì)對(duì)接研究進(jìn)展與現(xiàn)狀10-14
• 1.2.1 交會(huì)對(duì)接發(fā)展現(xiàn)狀10-13
• 1.2.2 交會(huì)對(duì)接控制研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3 論文主要工作14-17
• 第2章 交會(huì)對(duì)接逼近段相對(duì)運(yùn)動(dòng)建模與分析17-29
• 2.1 對(duì)偶四元數(shù)理論17-20
• 2.1.1 四元數(shù)17-18
• 2.1.2 對(duì)偶數(shù)18-19
• 2.1.3 對(duì)偶四元數(shù)19-20
• 2.2 坐標(biāo)系20-21
• 2.3 單個(gè)航天器運(yùn)動(dòng)學(xué)建模21-23
• 2.4 單個(gè)航天器動(dòng)力學(xué)建模23-25
• 2.5 航天器相對(duì)耦合動(dòng)力學(xué)建模25-28
• 2.6 本章小結(jié)28-29
• 第3章 交會(huì)對(duì)接逼近段ADRC設(shè)計(jì)與仿真29-45
• 3.1 自抗擾控制器29-33
• 3.1.1 ADRC的發(fā)展及應(yīng)用29-31
• 3.1.2 ADRC的結(jié)構(gòu)31
• 3.1.3 ADRC的離散動(dòng)態(tài)方程31-33
• 3.2 交會(huì)對(duì)接逼近段串級(jí)ADRC設(shè)計(jì)33-34
• 3.3 虛擬控制量設(shè)計(jì)34
• 3.4 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器與誤差反饋律設(shè)計(jì)34-35
• 3.5 數(shù)值仿真結(jié)果35-40
• 3.6 魯棒性與干擾抑制分析40-44
• 3.7 本章小結(jié)44-45
• 第4章 交會(huì)對(duì)接逼近段ADRC參數(shù)優(yōu)化與仿真45-61
• 4.1 適應(yīng)度函數(shù)選取45-47
• 4.2 問題描述47
• 4.3 基于PSO算法的交會(huì)對(duì)接逼近段ADRC優(yōu)化與仿真47-51
• 4.3.1 粒子群算法47-48
• 4.3.2 算法設(shè)計(jì)過程48-49
• 4.3.3 仿真結(jié)果與分析49-51
• 4.4 基于CPSO算法的交會(huì)對(duì)接逼近段ADRC優(yōu)化與仿真51-59
• 4.4.1 混沌粒子群算法51-53
• 4.4.2 算法設(shè)計(jì)過程53
• 4.4.3 仿真結(jié)果與分析53-59
• 4.5 本章小結(jié)59-61
• 第5章 總結(jié)與展望61-63
• 5.1 全文總結(jié)61-62
• 5.2 展望62-63
• 參考文獻(xiàn)63-69
• 作者簡介及科研成果69-71
• 致謝71

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 朱仁璋;王鴻芳;徐宇杰;魏羽良;;美國航天器交會(huì)技術(shù)研究[J];航天器工程;2011年05期

2 朱仁璋;王鴻芳;肖清;徐宇杰;;蘇/俄交會(huì)對(duì)接技術(shù)研究[J];航天器工程;2011年06期

3 韓京清;自抗擾控制器及其應(yīng)用[J];控制與決策;1998年01期

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本文編號(hào)：753322