發(fā)布時間：2017-09-03 21:27

  本文關(guān)鍵詞：基于擴張狀態(tài)觀測器空間站姿態(tài)控制和角動量管理

  更多相關(guān)文章： 姿態(tài)控制和角動量管理 擴張狀態(tài)觀測器 干擾抑制 線性二次型調(diào)節(jié)器 無角速度反饋

【摘要】：空間站技術(shù)代表著航天技術(shù)最全面、最先進的水平,在各國的航天技術(shù)發(fā)展中得到極大的重視�？臻g站作為大型復(fù)雜的航天器,其質(zhì)量大外擾強,但長設(shè)計壽命要求使得其姿態(tài)控制不同于普通航天器。強干擾使得空間站執(zhí)行機構(gòu)—制力矩陀螺(Control Moment Gyros,CMGs)會快速飽和而需要頻繁卸載,這又會導(dǎo)致燃料的消耗,影響其在軌壽命。如何保證CMG不飽和的情況下完成長期姿態(tài)控制,成為了空間站所特有的問題,這也就是空間站姿態(tài)控制和角動量管理(Attitude Control and Momentum Management,ACMM)需要解決的問題。我國的空間站項目已經(jīng)立項,對空間站的ACMM控制技術(shù)進行攻關(guān)也迫在眉睫。目前國內(nèi)外盛行的ACMM控制器都是基于內(nèi)模原理(Internal Model Principle,IMP)對干擾進行抑制從而實現(xiàn)空間站的姿態(tài)控制和角動量管理,其中以國際空間站使用的基于內(nèi)模原理的LQR算法最為經(jīng)典�；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀,本文通過設(shè)計擴張狀態(tài)觀測器(Extended State Observer,ESO)實時估算補償干擾,結(jié)合LQR算法設(shè)計控制律來實現(xiàn)空間站的姿態(tài)控制和角動量管理。本文的研究成果和貢獻具體如下:(1)首次將擴張狀態(tài)觀測器運用到空間站的姿態(tài)控制和角動量管理中。針對空間站的ACMM模型建立了三階線性擴張狀態(tài)觀測器(Linear Extended State Observer,LESO)和非線性擴張狀態(tài)觀測器(Noninear Extended State Observer,NLESO)估算空間站的姿態(tài)、角速度和干擾總和。通過分析空間站實際運行中姿態(tài)和角速度可由測量系統(tǒng)提供,擴張狀態(tài)觀測器可降階優(yōu)化,設(shè)計了更有效率的二階的LESO和NLESO估算空間站的角速度和總和干擾。并對設(shè)計的LESO分析了穩(wěn)定性。(2)在實際研究中發(fā)現(xiàn),姿態(tài)控制和角動量管理通過控制量耦合在一起,使得空間站的干擾補償完全不同于普通航天器。在控制量中補償僅加載在AC通道的干擾會導(dǎo)致MM通道引入額外干擾,因此需要在MM通道抵消補償。文中分析計算了適用于各軸的合理補償量以保證在抑制干擾的同時能不引起MM通道角動量的積累。在擴張狀態(tài)觀測器基礎(chǔ)上結(jié)合LQR控制律,設(shè)計了兩種合理的補償策略,實現(xiàn)空間站的姿態(tài)控制和角動量管理的均衡,并證明了各策略下系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性。(3)通過大量的仿真,分析驗證了設(shè)計的各種擴張狀態(tài)觀測器和補償策略的可行性。將仿真結(jié)果與經(jīng)典的LQR進行對比,并在動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度方面縱向比較了各種不同形式的擴張狀態(tài)觀測器和補償策略的差異,得到一些有用的結(jié)論。設(shè)計了基于復(fù)合觀測信息的三階LESO,提升僅基于姿態(tài)角誤差的三階LESO空間站ACMM的性能。(4)針對空間站角速率陀螺故障情況,設(shè)計了基于三階LESO提供的角速度估值的ACMM控制方案,實現(xiàn)空間站在無角速度反饋情況下的姿態(tài)控制和角動量管理,并證明了該方案的系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性。通過仿真驗證了該故障解決方案的可行性和對干擾以及突變干擾的強跟蹤抑制能力。
【關(guān)鍵詞】：姿態(tài)控制和角動量管理 擴張狀態(tài)觀測器 干擾抑制 線性二次型調(diào)節(jié)器 無角速度反饋
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V476.1;V448
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 緒論15-26
• 1.1 引言15-17
• 1.2 研究現(xiàn)狀17-24
• 1.2.1 空間站姿態(tài)控制和角動量管理的研究現(xiàn)狀17-21
• 1.2.2 基于擴張狀態(tài)觀測器的擾動抑制研究現(xiàn)狀21-23
• 1.2.3 無角速度測量的航天器姿態(tài)控制研究現(xiàn)狀23-24
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排24-26
• 第二章 空間站動力學(xué)模型及其相關(guān)理論知識26-37
• 2.1 引言26
• 2.2 動力學(xué)建模26-30
• 2.2.1 坐標(biāo)系26-27
• 2.2.2 空間站姿態(tài)動力學(xué)和運動學(xué)方程27-30
• 2.3 基于極點配置的LQR算法30-32
• 2.4 擴張狀態(tài)觀測器32-35
• 2.5 一個有用的定理35-36
• 2.6 本章小結(jié)36-37
• 第三章 基于擴張狀態(tài)觀測器的空間站姿態(tài)控制和角動量管理37-55
• 3.1 引言37
• 3.2 空間站干擾的LESO的設(shè)計37-41
• 3.2.1 三階LESO的設(shè)計38
• 3.2.2 三階LESO的穩(wěn)定性分析38-40
• 3.2.3 二階LESO的設(shè)計40
• 3.2.4 二階LESO的穩(wěn)定性分析40-41
• 3.3 空間站干擾的NLESO的設(shè)計41-42
• 3.3.1 三階NLESO的設(shè)計41
• 3.3.2 二階NLESO的設(shè)計41-42
• 3.4 空間站姿態(tài)控制和角動量管理補償策略設(shè)計-142-48
• 3.4.1 補償策略設(shè)計43-45
• 3.4.2 閉環(huán)穩(wěn)定性分析45-48
• 3.5 空間站姿態(tài)控制和角動量管理補償策略設(shè)計-248-53
• 3.5.1 補償策略設(shè)計49-50
• 3.5.2 閉環(huán)穩(wěn)定性分析50-53
• 3.6 本章小結(jié)53-55
• 第四章 基于擴張狀態(tài)觀測器的空間站姿態(tài)控制和動量管理性能分析55-82
• 4.1 引言55
• 4.2 補償策略-1 仿真結(jié)果55-62
• 4.2.1 三階LESO仿真結(jié)果56-58
• 4.2.2 二階LESO仿真結(jié)果58-59
• 4.2.3 三階NLESO仿真結(jié)果59-61
• 4.2.4 二階NLESO仿真結(jié)果61-62
• 4.3 補償策略-2 仿真結(jié)果62-69
• 4.3.1 三階LESO仿真結(jié)果62-64
• 4.3.2 二階LESO仿真結(jié)果64-65
• 4.3.3 三階NLESO仿真結(jié)果65-67
• 4.3.4 二階NLESO仿真結(jié)果67-69
• 4.4 仿真結(jié)果分析比較69-70
• 4.4.1 與經(jīng)典LQR的比較69-70
• 4.4.2 不同形式ESO的比較70
• 4.4.3 補償策略-1 和補償策略-2 的比較70
• 4.5 對突變干擾的跟蹤70-77
• 4.5.1 補償策略-1 仿真結(jié)果71-74
• 4.5.2 補償策略-2 仿真結(jié)果74-76
• 4.5.3 結(jié)果分析76-77
• 4.6 基于復(fù)合觀測信息的ACMM控制器77-81
• 4.6.1 補償策略-1 仿真結(jié)果77-79
• 4.6.2 補償策略-2 仿真結(jié)果79-81
• 4.6.3 結(jié)果分析81
• 4.7 本章小結(jié)81-82
• 第五章 無角速度測量的空間站姿態(tài)控制和角動量管理82-102
• 5.1 引言82
• 5.2 控制問題描述82-83
• 5.3 基于LESO無角速度測量的空間站ACMM控制策略83-92
• 5.3.1 三階LESO的設(shè)計以及穩(wěn)定性分析83
• 5.3.2 控制策略設(shè)計-183-84
• 5.3.3 控制策略設(shè)計-1 閉環(huán)穩(wěn)定性分析84-88
• 5.3.4 控制策略設(shè)計-288-89
• 5.3.5 控制策略設(shè)計-2 閉環(huán)穩(wěn)定性分析89-92
• 5.4 仿真結(jié)果和分析92-101
• 5.4.1 控制策略設(shè)計-1 仿真結(jié)果93-97
• 5.4.2 控制策略設(shè)計-2 仿真結(jié)果97-101
• 5.4.3 結(jié)果分析101
• 5.5 本章小結(jié)101-102
• 結(jié)論與展望102-104
• 參考文獻104-113
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果113-114
• 致謝114-115
• 附件115

【參考文獻】

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本文編號：787421