摘要：欠驱动航天器是指姿态控制系统中执行机构是非完整配置的航天器,在情况下执行机构不独立的三轴控制输入力矩。研究欠驱动航天器的控制问题对于提高系统的可靠性极为,作为一种应急控制手段,欠驱动航天器的研究有助于实现航天器的在轨自主运行。另一,对欠驱动航天器这一典型欠驱动机械系统运动特性和控制方法的深入分析,可以更充分地了解一般欠驱动系统的本质,为探索复杂非线性系统的运动控制思路和方法。本论文以仅有两轴独立控制输入力矩的欠驱动航天器为研究对象,从理论和应用两对其基本性质、姿态机动规划、姿态轨迹跟踪、姿态稳定等展开了深入的研究,主要内容包括以下几个:基于欧拉姿态角描述参数及欧拉定理建立了欠驱动航天器的运动学模型及动力学模型,并微分几何方法,对欠驱动航天器的非完整性、稳定性及能控性了理论分析,为后续控制算法的分析和设计奠定基础。欠驱动航天器存在二阶非完整约束的特点,设计了姿态机动规划算法。,考虑轴对称的特殊情形,利用系统微分平滑特性,了系统动态方程约束的可行轨迹生成算法,该算法对于系统微弱的非轴对称性具有鲁棒性。其次,以一般欠驱动航天器为研究对象,考虑执行机构输出受限的情况,基于Legendre伪谱法设计了时间最优姿态机动规划算法,并引入松弛因子,保证了最优控制问题解的存在性。再次,利用粒子群优化算法初值选取的随机性,粒子群初值生成器,为上述算法了良好的初始猜测值,同时提高了算法的搜索速度及全局搜索能力。,改进全局Legendre伪谱法,在Bang-Bang控制输入变化剧烈的切换点处增加配置点,提高了伪谱法的计算精度,并改善了控制输入离散点间的超限情况,保证了算法的可行性。开环参考轨迹,实时重规划的方式设计了欠驱动航天器闭环反馈轨迹跟踪控制器。,考虑存在较小初始扰动的情况,在参考轨迹上线性化系统的运动方程,将轨迹跟踪问题转换为时变线性系统的姿态调节问题,并利用间接伪谱法将每次重规划的两点边值问题转换为线性代数方程组求解。该算法较好地跟踪参考轨迹,且对初始扰动具有抑制作用,同时的最优控制输入具有解析的形式,保证了运算的实时性。其次,考虑执行机构输出受限且系统存在外界扰动的情况,伪谱法并扩展欠驱动航天器的平滑特性,实时重规划闭环轨迹跟踪控制器。仿真结果,该算法地抑制外界扰动对于开环参考轨迹的不利影响,在跟踪参考轨迹的同时,还优化期望的性能指标。基于无穷时域重规划策略设计了欠驱动航天器的闭环姿态稳定控制器。,引入的时域变换,将无穷最优控制问题转换为有限半开时域上的优化问题,并在执行机构输出受限的情况下,Legendre-Gauss-Radau(LGR)伪谱法设计开环姿态稳定控制算法。其次,考虑欠驱动航天器存在外界扰动的情况,采样周期选取方式的不同了两种闭环姿态稳定控制算法。种算法以每次重规划的计算时延为采样周期,最大地降低了计算时延对系统稳定性的影响。种算法以固定时长为采样周期,在时刻对下一个采样周期的预测,削弱了计算时延对系统稳定性的影响。对两种算法的稳定性分析可以当采样周期都充分小时,闭环系统的姿态都将收敛到平衡点附近的一个邻域内,且稳态误差和算法的计算误差成正比。在计算误差为零的理想下,则都可以实现闭环系统的渐近稳定控制。关键词：欠驱动论文姿态机动规划论文姿态轨迹跟踪论文姿态稳定论文伪谱法论文
摘要4-6
Abstract6-14
第1章 绪论14-28
1.1 课题背景及14-15
1.2 非完整系统与欠驱动系统15-20
1.2.1 非完整约束及非完整系统16-17
1.2.2 欠驱动机械系统17-18
1.2.3 非完整系统的主要研究内容18-20
1.3 欠驱航天器的国内外研究现状及分析20-27
1.3.1 欠驱动航天器运动特性分析21
1.3.2 欠驱动航天器姿态机动规划算法设计21-22
1.3.3 欠驱动航天器轨迹跟踪控制算法设计22-23
1.3.4 欠驱动航天器姿态稳定控制算法设计23-27
1.4 的主要研究内容27-28
第2章 欠驱动航天器姿态运动模型及基本性质分析28-42
2.1 引言28
2.2 欠驱动航天器姿态运动模型28-32
2.2.1 坐标系定义28-29
2.2.2 姿态运动学模型29-31
2.2.3 姿态动力学模型31-32
2.3 欠驱动航天器基本性质32-41
2.3.1 微分几何理论基础32-33
2.3.2 非完整约束及欠驱动特性分析33-35
2.3.3 稳定性分析35-38
2.3.4 能控性分析38-41
2.4 小结41-42
第3章 欠驱动航天器姿态机动规划算法设计42-83
3.1 引言42-43
3.2 基于平滑特性轴对称欠驱动航天器可行轨迹生成算法43-55
3.2.1 平滑性分析44-46
3.2.2 可行轨迹生成算法46-49
3.2.3 数值仿真与结果分析49-55
3.3 基于伪谱法的欠驱动航天器姿态机动规划算法55-65
3.3.1 问题描述及最优性必要条件55-57
3.3.2 松弛Legendre 伪谱法及问题转换57-61
3.3.3 算法流程61
3.3.4 数值仿真与结果分析61-65
3.4 粒子群初值生成器65-74
3.4.1 粒子群优化算法66-68
3.4.2 算法流程68-69
3.4.3 数值仿真与结果分析69-74
3.5 改进的基于伪谱法的欠驱动航天器姿态机动规划算法74-81
3.5.1 问题描述74-77
3.5.2 算法流程77-78
3.5.3 数值仿真与结果分析78-81
3.6 小结81-83
第4章 欠驱动航天器轨迹跟踪控制算法设计83-107
4.1 引言83-84
4.2 基于间接伪谱法的轨迹跟踪控制算法84-95
4.2.1 问题描述85-87
4.2.2 两点边值问题求解87-89
4.2.3 算法流程89-91
4.2.4 数值仿真与结果分析91-95
4.3 基于伪谱法的轨迹跟踪控制算法95-104
4.3.1 一般欠驱动航天器平滑特性分析96-97
4.3.2 问题转换97-99
4.3.3 算法流程99-101
4.3.4 数值仿真与结果分析101-104
4.4 重规划算法与滚动时域控制方法比较104-105
4.5 小结105-107
第5章 欠驱动航天器姿态稳定控制算法设计107-130
5.1 引言107-108
5.2 姿态稳定问题描述及问题转换108-112
5.2.1 平滑变化与时域变换108-109
5.2.2 Legendre-Gauss-Radau(LGR)伪谱法109-112
5.3 基于LGR 伪谱法姿态稳定控制算法设计112-121
5.3.1 采样周期基于计算时延的姿态稳定控制算法112-118
5.3.2 采样周期固定的姿态稳定控制算法118-121
5.4 数值仿真与结果分析121-129
5.5 小结129-130
130-132
参考文献132-149
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果149-151
致谢151-152
个人简历152-153
带有非完整约束欠驱动航天器制约策略探讨
更新时间：2024-04-01
作者：用户投稿
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