论文摘要
随着航天技术的飞速发展,航天器正向多功能、柔性化、高精度的方向发展。现代航天器很多都带有大型柔性附件,附件的振动会对姿态造成显著影响,因此姿态控制器设计时必须考虑附件振动,否则附件振动会显著降低姿态控制器性能、甚至使系统失稳。然而另一方面,即使考虑了附件振动,柔性飞行器控制中的溢出现象也可能会对姿态控制产生严重影响,尤其对于非线性系统而言,溢出问题更为严重。本论文深入研究了带柔性附件飞行器的姿态鲁棒控制方法,并解决了柔性飞行器控制中的溢出现象所带来的问题。论文主要包括以下内容:首先,严格证明了在一般情况下姿态四元数的矢量部分、角速度、以及二者的线性组合构成的新矢量这三者之间存在的渐近稳定等价关系和终值有界等价关系,并首次给出了利用二者的线性组合构成的新矢量的界来定量的估计四元数的矢量部分和角速度的界的方法。接着,基于上述两个等价关系,把柔性附件对本体姿态的影响力矩视为干扰力矩,在假设已知该力矩的界函数的条件下研究了柔性飞行器的本体的鲁棒抗干扰姿态控制问题。首先研究为了抑制干扰控制输入应该具有什么样的特性,然后针对姿态机动、跟踪问题,以前面的两个等价关系为依据分别设计了相应的鲁棒抗干扰姿态控制器。所设计的控制器很适用于带柔性附件飞行器的姿态控制。然后,依据模态截断后的有限阶附件振动方程,考虑有限阶模态,推导出柔性附件对飞行器姿态的影响力矩的一个界函数。然后把该界函数与前面设计的姿态控制器以及附件振动控制器相结合,用于控制带柔性附件飞行器的姿态,并抑制附件振动,效果明显。最后,对与附件振动相关的溢出问题进行了重点分析。利用结构参数的某些有界性质,考虑附件无限阶模态,改进前面针对有限阶模态提出的方法,得到柔性附件对姿态的影响力矩的界函数。将该界函数用于带柔性附件飞行器的控制,就可以防止因溢出而使系统失稳或使控制性能下降。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 课题来源及研究的目的和意义1.2 国内外研究现状及分析1.2.1 柔性飞行器建模1.2.2 柔性飞行器的控制1.2.3 柔性飞行器控制的溢出问题1.2.4 目前尚待解决的问题1.3 本论文主要研究内容第2章 飞行器姿态控制的两个等价关系2.1 引言2.2 姿态描述和运动学2.3 带柔性附件飞行器动力学建模2.3.1 位形描述与系统的Lagrange函数2.3.2 带柔性附件飞行器的动力学方程2.4 飞行器姿态控制的两个等价关系2.4.1 渐近稳定等价关系2.4.2 终值有界等价关系2.4.3 对两个等价关系的讨论2.4.4 仿真验证2.5 本章小结第3章 柔性飞行器本体的抗干扰鲁棒姿态控制3.1 引言3.2 柔性飞行器本体的姿态动力学方程3.3 抑制干扰控制器应具有的几个特性3.4 柔性飞行器本体的姿态机动控制器设计3.4.1 控制器设计3.4.2 控制器的改进3.4.3 数值仿真3.5 柔性飞行器本体的姿态跟踪控制器3.5.1 姿态跟踪误差动力学方程3.5.2 控制器设计3.5.3 数值仿真3.6 本章小结第4章 对附件影响的估界与柔性飞行器鲁棒控制4.1 引言4.2 带柔性附件飞行器的动力学方程v1|| 和||Tv2|| 的界限'>4.3 估计||Tv1|| 和||Tv2|| 的界限v1i和Tv2i的计算'>4.3.1 阻尼比小于1时Tv1i和Tv2i的计算v1i和Tv2i的计算'>4.3.2 阻尼比大于1时Tv1i和Tv2i的计算v1i和Tv2i的计算'>4.3.3 阻尼比等于1时Tv1i和Tv2i的计算v1|| 和||Tv2|| 的界限'>4.3.4 估计||Tv1|| 和||Tv2|| 的界限4.3.5 数值仿真4.4 柔性飞行器姿态机动控制器设计4.5 附件主动振动控制与姿态控制器相结合4.6 柔性飞行器姿态跟踪控制器设计4.7 本章小结第5章 柔性飞行器控制的溢出问题5.1 引言5.2 考虑附件全部模态的柔性飞行器动力学方程v1|| 和||Tv2′ || 的界限'>5.3 估计||Tv1|| 和||Tv2′ || 的界限i< ξ[1] 时估计各项的界限'>5.3.1 ξ≤ξi< ξ[1] 时估计各项的界限[2]< ξi ≤ξ时估计各项的界限'>5.3.2 ξ[2]< ξi≤ξ时估计各项的界限[1]≤ξi≤ξ[2] 时估计各项的界限'>5.3.3 ξ[1]≤ξi≤ξ[2] 时估计各项的界限v1|| 和||Tv2′|| 的界限'>5.3.4 估计||Tv1|| 和||Tv2′|| 的界限5.3.5 仿真验证5.4 柔性飞行器控制的溢出问题5.5 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个人简历
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