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文檔簡(jiǎn)介
1、零燃料姿態(tài)機(jī)動(dòng)是新近在國(guó)際空間站得到應(yīng)用的先進(jìn)姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制概念,該技術(shù)能夠有效減少空間站的燃料消耗、延長(zhǎng)在軌壽命、提高安全性。本文以我國(guó)空間站工程任務(wù)為背景,較為系統(tǒng)地研究了采用單框架控制力矩陀螺的空間站姿態(tài)機(jī)動(dòng)問(wèn)題中的機(jī)理分析、控制律設(shè)計(jì)、操縱律設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃與驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)等方面的問(wèn)題。全文主要研究成果如下:
開(kāi)展了空間站零燃料姿態(tài)機(jī)動(dòng)的機(jī)理分析。1)采用優(yōu)化算法求解了力矩陀螺的角動(dòng)量幅值的極值,分析了典型構(gòu)形力矩陀螺角動(dòng)量
2、包絡(luò)面的分布規(guī)律;2)推導(dǎo)了角動(dòng)量奇異狀態(tài)方程,分析了典型構(gòu)形單框架力矩陀螺顯奇異面與隱奇異面的分布規(guī)律;3)建立了空間站本體與力矩陀螺之間的動(dòng)量矩守恒的關(guān)系,推導(dǎo)了姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑的存在性條件,該存在性條件不需進(jìn)行繁瑣的計(jì)算,根據(jù)空間站慣量張量與力矩陀螺參數(shù)的解析關(guān)系可直接判定姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑的存在性,該存在性條件可為零燃料姿態(tài)機(jī)動(dòng)技術(shù)在我國(guó)未來(lái)空間站的實(shí)施提供重要的理論依據(jù)。
提出了基于人工勢(shì)函數(shù)的力矩陀螺避飽和控制律。1)對(duì)人工
3、勢(shì)函數(shù)進(jìn)行了構(gòu)造,包括用于表征當(dāng)前姿態(tài)與目標(biāo)姿態(tài)之間距離的吸引勢(shì)函數(shù),以及用于表征力矩陀螺飽和程度的排斥勢(shì)函數(shù);2)基于所構(gòu)造的人工勢(shì)函數(shù),針對(duì)穩(wěn)定與不穩(wěn)定平衡姿態(tài),構(gòu)造了李雅普諾夫函數(shù)并推導(dǎo)了能夠?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)機(jī)動(dòng)與力矩陀螺避飽和的一體化控制律;3)仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的控制律實(shí)現(xiàn)了空間站本體姿態(tài)與陀螺角動(dòng)量的協(xié)同控制,一方面趨使空間站完成機(jī)動(dòng)任務(wù),另一方面避免了陀螺的飽和,為解決空間站大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)中的陀螺飽和問(wèn)題提供了有效的方法。
4、> 提出了基于顯隱奇異函數(shù)的力矩陀螺操縱律。1)對(duì)力矩陀螺的顯隱奇異函數(shù)進(jìn)行了構(gòu)造,所構(gòu)造的顯隱奇異函數(shù)能夠有效區(qū)分顯奇異點(diǎn)與隱奇異點(diǎn),并能提前預(yù)知奇異狀態(tài);2)基于顯隱奇異函數(shù),構(gòu)造了力矩陀螺自適應(yīng)操縱律,該操縱律不僅能夠有效脫離顯奇異狀態(tài),而且能夠在脫離隱奇異狀態(tài)時(shí)不引入力矩偏差,同時(shí)具備了零運(yùn)動(dòng)操縱律與魯棒操縱律的優(yōu)點(diǎn);3)考慮姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的部分陀螺失效,設(shè)計(jì)了失效響應(yīng)操縱律,該操縱律能夠及時(shí)檢測(cè)力矩陀螺的失效信息,并
5、將該信息反饋給操縱律,從而調(diào)整操縱律的內(nèi)部參數(shù),實(shí)現(xiàn)操縱律自適應(yīng)調(diào)整。
研究了考慮力矩陀螺奇異與飽和特性的姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃。1)構(gòu)建了路徑規(guī)劃問(wèn)題的性能指標(biāo),包括飽和性能指標(biāo)與奇異性能指標(biāo);2)建立了零燃料姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃單目標(biāo)優(yōu)化模型,構(gòu)造了混合求解策略,該求解策略可以兼顧求解效率與求解精度,能夠求解滿足力矩陀螺奇異與飽和約束的姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑;3)構(gòu)建了路徑規(guī)劃多目標(biāo)優(yōu)化模型,求解了路徑規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,該策略可根據(jù)工程實(shí)
6、際偏好需求,規(guī)劃出滿足不同工程實(shí)際需求的姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑,為考慮工程實(shí)際約束和反映不同偏好需求的空間站姿態(tài)機(jī)動(dòng)任務(wù)提供了有效的模型與技術(shù)支持。
設(shè)計(jì)了基于相似性原理的姿態(tài)機(jī)動(dòng)地面試驗(yàn)系統(tǒng)方案。1)依據(jù)相似性原理,提出了空間站零燃料姿態(tài)控制問(wèn)題地面試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,推導(dǎo)了系統(tǒng)的相似準(zhǔn)則;2)設(shè)計(jì)了地面試驗(yàn)相似系統(tǒng),依據(jù)相似準(zhǔn)則對(duì)地面試驗(yàn)系統(tǒng)的各分系統(tǒng)開(kāi)展了相似性設(shè)計(jì),并對(duì)地面試驗(yàn)系統(tǒng)星載算法的相似性參數(shù)進(jìn)行了確定;3)仿真結(jié)果驗(yàn)證
7、了相似系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性,相似系統(tǒng)仿真的所有數(shù)據(jù)均與原型系統(tǒng)成比例關(guān)系,相似系統(tǒng)可大大節(jié)省姿態(tài)機(jī)動(dòng)地面試驗(yàn)的時(shí)間消耗,為采用力矩陀螺的空間站姿態(tài)控制技術(shù)的地面驗(yàn)證提供了有效的技術(shù)途徑。
論文緊密結(jié)合我國(guó)空間站工程實(shí)際,研究了采用單框架力矩陀螺的姿態(tài)機(jī)動(dòng)問(wèn)題,研究成果可以為我國(guó)未來(lái)空間站的在軌運(yùn)行與空間操作提供技術(shù)支持,具有較重要的工程實(shí)踐價(jià)值。同時(shí),論文從工程問(wèn)題中所提煉的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題特性、提出的控制策略、構(gòu)造的規(guī)劃算法,設(shè)計(jì)
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