充液航天器的晃动抑制与鲁棒姿态控制

论文摘要

液体晃动能影响航天器姿态控制系统的稳定性。尤其是随着航天器运载能力、机动能力、长寿命等性能的提高,液体质量占航天器总质量的比值不断增大,这种不利影响也随之增大。液体晃动问题在充液航天器的姿态控制系统设计中无法避免。液体晃动动力学模型是一组非线性偏微分方程,直接在该模型的基础上做姿态控制设计具有相当的难度。为此,本文采用一组单摆的等效力学模型来代替液体的小幅晃动,并在此基础上建立了充液航天器的姿态动力学模型。经过分析和仿真发现,在一定的情况下液体晃动会造成航天器的姿态失稳。充液航天器姿态机动和姿态稳定时都会引起液体的晃动。对于充液航天器姿态机动的情形,采用时间最优控制完成姿态机动任务。结合输入成形器的振动抑制性能,在保证液体作线性晃动和控制力矩不超过执行机构最大输出能力的基础上求解了时间最优控制指令力矩。仿真结果表明,输入成形器的引入可以提高时间最优控制指令力矩大小,加速姿态机动,提高机动结束后的姿态稳定度,同时液体晃动得到有效抑制。对于航天器姿态稳定的情形,本文设计了状态反馈控制器和降维观测器,将状态反馈控制矩阵和降维观测器矩阵进行参数化。在对状态反馈控制矩阵和降维观测器矩阵进行求解时,考虑了三个性能指标：对状态最大值的约束、对控制力矩最大值的约束和模型参数不确定性的约束。通过求解最优性能指标的方法求取了状态反馈控制律矩阵和降维观测器矩阵。最后通过仿真验证,基于降维观测器的状态反馈控制系统的姿态在短期时间之内就达到稳态精度要求,液体晃动得到抑制,还具有对参数不确定性的鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 液体晃动的动力学分析与建模
• 1.2.2 液体晃动抑制措施
• 1.2.3 充液航天器的姿态控制
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 充液航天器的姿态动力学建模与分析
• 2.1 引言
• 2.2 航天器刚体姿态运动学与姿态动力学
• 2.2.1 常用的坐标系
• 2.2.2 刚体姿态运动学
• 2.2.3 刚体姿态动力学
• 2.3 晃动液体的等效力学模型
• 2.3.1 航天器绕俯仰轴大角度转动的情况
• 2.3.2 航天器作小角度姿态运动的情况
• 2.4 充液航天器的姿态动力学模型
• 2.4.1 航天器绕俯仰轴大角度转动时的姿态动力学模型
• 2.4.2 航天器作小姿态运动时的姿态动力学模型
• 2.5 液体晃动对航天器姿态控制系统稳定性的影响分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于输入成形的液体晃动主动抑制
• 3.1 引言
• 3.2 输入成形方法介绍
• 3.2.1 输入成形的基本原理
• 3.2.2 输入成形器的鲁棒性
• 3.3 时间最优控制与输入成形设计
• 3.3.1 时间最优控制
• 3.3.2 时间最优控制与输入成形
• 3.4 仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 充液航天器的鲁棒姿态稳定控制
• 4.1 引言
• 4.2 液体晃动情况下航天器姿态系统的状态空间描述与分析
• 4.2.1 重力梯度力矩及系统状态空间描述
• 4.2.2 系统状态方程分析
• 4.3 液体晃动情况下航天器姿态控制系统设计
• 4.3.1 特征结构配置
• 4.3.2 状态反馈控制律设计
• 4.3.3 降维观测器设计
• 4.4 基于降维观测器的状态反馈控制及仿真分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢