组合航天器控制分配方法研究

论文摘要

为实现航天器的在轨服务,两航天器通常需要通过交会对接形成组合航天器,由于每个航天器都具有各自的控制系统,则组合航天器在姿态控制执行环节有较大冗余,因此研究冗余控制系统下的控制分配问题及不同控制模式下控制系统性能,包括可靠性、稳定性、控制能力等,是十分必要的。围绕上述问题,本文研究了基于控制分配技术的姿态控制方法,将姿态控制的算法设计环节与伪指令的分配环节分别独立考虑,建立姿态控制模型,并以分配环节为约束条件设计了控制规律,考虑推力大小等约束条件,提出将伪逆法和线性规划结合的二次分步优化方案,伪逆方法可以满足航天器轨道与姿态控制要求,而线性规划则可以把伪逆求取的结果修正到推力器所能提供的推力范围内,从而得到一种通用的控制分配方法。将本文提出的推力分配方法应用于所采用模型的推力器配置方案的实际问题,给出了推力分配算法在实际推力器配置中的应用,并进行数学仿真,结果表明本文提出的推力分配方法具有切实的可行性和有效性。最后,以组合航天器姿态控制为应用背景,进一步探讨了控制分配技术用于解决以推力器为执行机构的姿态控制问题的可行性,并进行六自由度仿真验证,仿真结果验证了推力分配方法在组合航天器姿态控制任务中的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.1.3 在轨服务技术研究现状
• 1.2 控制分配技术基础
• 1.2.1 控制分配概念
• 1.2.2 控制分配技术的研究状况
• 1.3 控制分配方法介绍
• 1.3.1 群组法
• 1.3.2 链式递增方法
• 1.3.3 伪逆法
• 1.3.4 直接分配法
• 1.3.5 数学规划方法
• 1.4 本论文主要研究内容
• 第2章 姿态动力学模型建立与控制规律设计
• 2.1 参考坐标系定义
• 2.2 航天器姿态动力学模型
• 2.2.1 采用欧拉角描述的卫星姿态运动学方程
• 2.2.2 采用四元数法描述卫星姿态运动学方程
• 2.3 执行机构特性分析
• 2.4 姿态控制律设计
• 2.5 干扰力矩
• 2.6 本章小结
• 第3章 推力分配问题建模及优化方法
• 3.1 推力分配问题的数学模型
• 3.2 针对数学模型的具体分析
• 3.2.1 伪逆法求取推力初值
• 3.2.2 二次优化方法
• 3.3 线性规划
• 3.3.1 线性规划基础
• 3.3.2 大M法求解LP问题的过程
• 3.4 最大推力值确定
• 3.5 本章小结
• 第4章 推力分配算法仿真验证
• 4.1 推力器配置方案
• 4.2 推力分配算法开环仿真验证
• 4.3 推力分配算法闭环仿真验证
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢