本文關(guān)鍵詞：航天器相對運(yùn)動姿軌耦合二階滑�？刂蒲芯�

  更多相關(guān)文章： 航天器 相對運(yùn)動 姿軌耦合控制 滑模控制 二階滑模

【摘要】：空間交會對接是航天領(lǐng)域的重要研究方向之一,以其重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值受到廣泛重視。就空間技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看,傳統(tǒng)空間應(yīng)用中對合作目標(biāo)的交會對接技術(shù)已日趨成熟,而對非合作目標(biāo)的交會對接和�？考夹g(shù)則處于飛速發(fā)展階段,具有廣闊的應(yīng)用前景,如空間碎片捕獲、在軌服務(wù)以及空間攔截等。不同于對合作目標(biāo)的交會對接,對非合作目標(biāo)的交會對接過程由于目標(biāo)航天器無法主動提供精確的位姿信息,從而給相對位姿的控制技術(shù)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外,在航天器的末端交會過程中,航天器的軌道控制和姿態(tài)控制間存在著嚴(yán)重的耦合作用,傳統(tǒng)軌道控制和姿態(tài)控制“分而治之”的控制策略已無法滿足新形勢下對高精度控制的要求。所以,考慮一體化建模與控制方式的航天器姿軌耦合控制在理論和工程應(yīng)用中均具有重要價(jià)值。本文以對非合作目標(biāo)的末端交會過程為研究背景,對航天器姿軌耦合控制的二階滑�？刂扑惴ㄟM(jìn)行了深入的研究。此外,在動態(tài)滑�？刂破髟O(shè)計(jì)、任意階滑�？刂啤⒍A滑模的抗飽和控制以及逼近完全非合作目標(biāo)的二階滑模算法等問題中也取得了一定的研究成果。本文的主要研究內(nèi)容包括:針對傳統(tǒng)建模方法依賴于高精度相對導(dǎo)航濾波的問題,基于視線坐標(biāo)系推導(dǎo)了適用于任意軌道形式且無需復(fù)雜濾波的航天器姿軌耦合動力學(xué)模型,并作為后文控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。針對滑模抖顫及系統(tǒng)不確定性影響高精度姿軌耦合控制的問題,研究了航天器姿軌耦合的二階滑�？刂茊栴}。首先,將動態(tài)滑模與終端滑模相結(jié)合,改進(jìn)了一類非線性系統(tǒng)的一階及任意階動態(tài)滑�？刂坡稍O(shè)計(jì)方法。其次,通過對追蹤航天器參考軌跡的設(shè)計(jì),將航天器間的相對位置控制和姿態(tài)同步旋轉(zhuǎn)問題轉(zhuǎn)化為對參考軌跡的跟蹤問題。最后,將動態(tài)滑模與終端滑模相結(jié)合,并通過設(shè)計(jì)估計(jì)復(fù)合干擾導(dǎo)數(shù)上界的自適應(yīng)律,提出了自適應(yīng)二階終端滑模控制律并給出了嚴(yán)格的穩(wěn)定性分析。所設(shè)計(jì)的控制律可消除滑模抖顫問題且同時(shí)兼顧滑動模態(tài)的不變性,數(shù)值仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制律的有效性。針對逼近非合作目標(biāo)過程中需要高精度和強(qiáng)機(jī)動控制的問題,研究了航天器姿軌耦合的有限時(shí)間控制問題。首先將任意階滑模控制問題轉(zhuǎn)化為含不確定性的n重積分鏈的控制問題,并針對n重積分鏈系統(tǒng)基于齊次理論提出了含線性補(bǔ)償和切換機(jī)制的有限時(shí)間控制律,該控制律可使系統(tǒng)狀態(tài)在遠(yuǎn)離和接近平衡點(diǎn)時(shí)均有較快的收斂速度。其次,設(shè)計(jì)了兩類任意階終端滑模面,即可令任意階系統(tǒng)狀態(tài)在有限時(shí)間內(nèi)鎮(zhèn)定的一類終端滑模面及其含線性補(bǔ)償和切換機(jī)制的改進(jìn)形式。在此基礎(chǔ)上,針對任意階滑�？刂�,設(shè)計(jì)了任意階終端滑模控制律。最后,為實(shí)現(xiàn)航天器姿軌耦合高精度和強(qiáng)機(jī)動的控制目標(biāo),基于前述任意階滑模控制方法,提出了航天器姿軌耦合二階滑模有限時(shí)間控制律,該控制律消除了滑模抖顫且兼顧滑動模態(tài)的不變性。針對航天器姿軌耦合控制中存在執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和的問題,重點(diǎn)研究了航天器姿軌耦合控制的二階滑模抗飽和控制問題。為建立關(guān)于滑模抗飽和控制的有關(guān)理論,首先提出了飽和型滑模面的概念并給出三類飽和型滑模面的嚴(yán)格定義,進(jìn)一步研究了考慮控制輸入約束的任意階滑�？刂坡傻拇嬖跅l件。其次,重點(diǎn)研究了考慮控制輸入飽和約束的二階滑�？刂茊栴},提出了基于飽和型滑模面的二階滑模抗飽和控制律的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法及其含冪次項(xiàng)的改進(jìn)形式,并分別給出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明以及抗飽和控制律的參數(shù)選取規(guī)則,從而有效克服了滑�？刂频妮斎腼柡蛦栴}。最后,在上述研究基礎(chǔ)上,針對考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和的航天器姿軌耦合控制問題,設(shè)計(jì)了航天器姿軌耦合二階滑�？癸柡涂刂坡伞７抡娼Y(jié)果表明,所設(shè)計(jì)控制律具有良好的抗飽和性能。最后,研究了逼近完全非合作目標(biāo)的二階滑模控制問題以及二階滑模算法的對比分析和性能評價(jià)。針對逼近完全非合作目標(biāo)的航天器姿軌耦合控制問題,綜合考慮抖顫消除、收斂速度以及控制輸入飽和約束等因素,設(shè)計(jì)了一類航天器姿軌耦合二階滑模控制律。此外,考慮到二階滑模算法進(jìn)一步理論研究及工程應(yīng)用的需要,本文在大量仿真實(shí)驗(yàn)和理論分析的基礎(chǔ)上,對本文提出的四種二階滑模算法與經(jīng)典Super Twisting二階滑模算法進(jìn)行對比分析和性能評價(jià),進(jìn)一步得出有關(guān)結(jié)論。首先,以逼近完全非合作目標(biāo)為應(yīng)用背景,將Super Twisting算法與本文提出的四種二階滑模算法分別應(yīng)用于該控制問題中,在此基礎(chǔ)上分別給出了仿真分析。其次,以上述仿真分析為研究基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)來源,對前述五種二階滑模算法的控制性能進(jìn)行對比分析。在此基礎(chǔ)上,給出了五種算法的綜合評價(jià),歸納了各自的主要優(yōu)缺點(diǎn)。最后,以結(jié)論的形式概要?dú)w納了本文所提四種二階滑模算法及Super Twisting算法的控制性能以及各自特點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】：航天器 相對運(yùn)動 姿軌耦合控制 滑�？刂� 二階滑模
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-14
• 第1章 緒論14-27
• 1.1 課題背景及意義14-17
• 1.2 姿軌耦合控制及相關(guān)問題研究現(xiàn)狀17-24
• 1.2.1 航天器姿軌耦合建模方法研究現(xiàn)狀17-20
• 1.2.2 航天器姿軌耦合控制方法研究現(xiàn)狀20-22
• 1.2.3 姿軌耦合控制設(shè)計(jì)中面臨的問題22-23
• 1.2.4 滑模控制理論研究現(xiàn)狀23-24
• 1.3 本文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排24-27
• 第2章 航天器姿軌耦合動力學(xué)建模及預(yù)備知識27-43
• 2.1 引言27
• 2.2 基本坐標(biāo)系27-29
• 2.3 航天器姿軌耦合動力學(xué)建模29-34
• 2.3.1 基于視線坐標(biāo)系的相對軌道動力學(xué)29-32
• 2.3.2 相對姿態(tài)動力學(xué)32-34
• 2.3.3 航天器姿軌耦合動力學(xué)模型34
• 2.4 滑�？刂评碚摷邦A(yù)備知識34-42
• 2.4.1 預(yù)備知識35-37
• 2.4.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制37-38
• 2.4.3 滑動模態(tài)的不變性38-39
• 2.4.4 傳統(tǒng)滑模控制理論39-42
• 2.5 本章小結(jié)42-43
• 第3章 基于動態(tài)滑模的航天器姿軌耦合二階滑�？刂�43-68
• 3.1 引言43
• 3.2 一類多輸入多輸出非線性系統(tǒng)改進(jìn)的任意階動態(tài)滑模控制律設(shè)計(jì)43-50
• 3.2.1 動態(tài)滑模定義43-45
• 3.2.2 一類非線性系統(tǒng)的一階動態(tài)滑�？刂坡稍O(shè)計(jì)45-49
• 3.2.3 一類非線性系統(tǒng)的任意階動態(tài)滑模控制律設(shè)計(jì)49-50
• 3.3 基于動態(tài)滑模的航天器姿軌耦合自適應(yīng)二階終端滑�？刂坡稍O(shè)計(jì)50-60
• 3.3.1 問題描述50-52
• 3.3.2 參考軌跡設(shè)計(jì)52-55
• 3.3.3 航天器姿軌耦合自適應(yīng)二階終端滑模控制律設(shè)計(jì)55-60
• 3.4 仿真分析60-67
• 3.5 本章小結(jié)67-68
• 第4章 基于齊次理論的航天器姿軌耦合二階滑模有限時(shí)間控制68-91
• 4.1 引言68-69
• 4.2 基于齊次理論的任意階終端滑�？刂坡稍O(shè)計(jì)69-82
• 4.2.1 問題描述及相關(guān)引理69-71
• 4.2.2 N重積分鏈系統(tǒng)的有限時(shí)間控制律設(shè)計(jì)71-75
• 4.2.3 基于齊次理論的任意階終端滑模面設(shè)計(jì)75-78
• 4.2.4 基于齊次理論的任意階終端滑模控制律設(shè)計(jì)78-82
• 4.3 基于齊次理論的航天器姿軌耦合二階滑模有限時(shí)間控制律設(shè)計(jì)82-85
• 4.3.1 問題描述83-84
• 4.3.2 航天器姿軌耦合二階滑模有限時(shí)間控制律設(shè)計(jì)84-85
• 4.4 仿真分析85-89
• 4.5 本章小結(jié)89-91
• 第5章 基于飽和型滑模面的航天器姿軌耦合二階滑�？癸柡涂刂�91-119
• 5.1 引言91-92
• 5.2 基于飽和型滑模面的任意階滑模控制律設(shè)計(jì)92-99
• 5.2.1 飽和型滑模面概念的提出92-95
• 5.2.2 問題描述95-96
• 5.2.3 基于飽和型滑模面的任意階滑�？刂坡稍O(shè)計(jì)96-99
• 5.3 基于飽和型滑模面的二階滑模抗飽和控制律設(shè)計(jì)99-111
• 5.3.1 問題描述100
• 5.3.2 基于飽和型非奇異快速終端滑模面的二階滑�？癸柡涂刂坡稍O(shè)計(jì)100-107
• 5.3.3 含冪次項(xiàng)改進(jìn)的二階滑模抗飽和控制律設(shè)計(jì)107-111
• 5.4 基于飽和型滑模面的航天器姿軌耦合二階滑�？癸柡涂刂坡稍O(shè)計(jì)111-113
• 5.4.1 問題描述111-112
• 5.4.2 航天器姿軌耦合二階滑模抗飽和控制律設(shè)計(jì)112-113
• 5.5 仿真分析113-118
• 5.6 本章小結(jié)118-119
• 第6章 二階滑模算法在逼近完全非合作目標(biāo)中的應(yīng)用及算法對比評價(jià)119-146
• 6.1 引言119-120
• 6.2 一類逼近完全非合作目標(biāo)的航天器姿軌耦合二階滑�？刂坡稍O(shè)計(jì)120-128
• 6.2.1 問題描述120-122
• 6.2.2 航天器姿軌耦合自適應(yīng)二階滑模控制律設(shè)計(jì)122-124
• 6.2.3 仿真分析124-128
• 6.3 二階滑模算法在逼近完全非合作目標(biāo)中的應(yīng)用及算法對比評價(jià)128-145
• 6.3.1 Super Twisting算法在逼近完全非合作目標(biāo)中的應(yīng)用及仿真分析130-132
• 6.3.2 本文二階滑模算法在逼近完全非合作目標(biāo)中的應(yīng)用及仿真分析132-140
• 6.3.3 二階滑模算法的對比分析及性能評價(jià)140-145
• 6.4 本章小結(jié)145-146
• 結(jié)論146-149
• 參考文獻(xiàn)149-164
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文164-166
• 致謝166-167
• 個(gè)人簡歷167

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本文編號：895714