考虑动量管理和能量存储的空间站姿态控制研究

论文摘要

姿态控制技术是发展空间站待解决的关键技术之一。论文以载人航天三期空间站工程的关键技术预先研究为背景,系统地研究了考虑动量管理和能量存储的空间站姿态控制问题。全文主要研究成果如下:发展了力矩平衡姿态的求解方法和稳定性判断方法。1)针对传统力矩平衡姿态求解方法复杂且求解精度低的不足,提出采用拟牛顿迭代法求解力矩平衡姿态非线性方程组,该方法提高了力矩平衡姿态的求解精度和效率;2)采用Lyapunov理论中求解导算子特征值的方法进行力矩平衡姿态稳定性研究,并通过仿真验证力矩平衡姿态作为平衡姿态的优点和用导算子的特征值判断力矩平衡姿态稳定性方法的有效性。改进了空间站姿态控制与动量管理线性和非线性控制器。1)设计了一个基于力矩平衡姿态实时计算的自适应控制器,实现真正意义上的自适应控制;2)结合小脑模型神经网络控制的特点改进已有的反馈线性化非线性控制器,证明了改进后的控制器的稳定性;3)仿真验证了这两个控制器对姿态控制与动量管理控制的有效性。研究总结了空间站四种常用角动量交换装置的姿态控制与能量存储特性。这四种常用角动量交换装置包括单框架控制力矩陀螺、变速控制力矩陀螺、飞轮、单框架控制力矩陀螺和飞轮混合机构。1)总结了单框架控制力矩陀螺进行姿态控制和其它三类机构进行姿态控制与能量存储的奇异性、角动量包络和操纵律特性;2)推导了金字塔构型变速控制力矩陀螺的避免奇异条件数;3)总结了这四类执行机构进行姿态控制与能量存储的优缺点。研究提出了基于动量管理和基于动量反馈的两种姿态控制与能量存储框架。1)综合考虑姿态控制与动量管理和姿态控制与能量存储的优势,提出了考虑动量管理和考虑动量反馈的姿态控制与能量存储框架;2)证明了动量管理能使飞轮和变速控制力矩陀螺远离饱和和奇异,从理论上分析了动量反馈的稳定性条件,并通过仿真验证了这两个框架的有效性;3)总结了两种一体化框架的优缺点。建立了空间站通用姿态控制框架。1)结合我国的实际情况,分析了我国未来空间站的姿态控制模式和可能的姿态控制角动量交换装置,设计了面向空间站长期在轨各种可能姿态控制任务的考虑动量管理和能量存储的通用姿态控制框架;2)给出了一类用于姿态对地定向和姿态机动的自抗扰控制器;3)基于设计的通用框架,进行设备正常或故障情况时包括姿态机动、姿态对力矩平衡姿态定向和姿态对地定向三种姿态控制任务的仿真,验证了该通用姿态控制框架的有效性和通用性。论文拓展了现有的考虑动量管理和能量存储的空间站姿态控制的研究范畴,发展了力矩平衡姿态的稳定性判据,证明了基于动量管理和基于动量反馈的两种姿态控制与能量存储框架的稳定性,具有一定的理论意义;论文所研究的力矩平衡姿态计算方法、姿态控制与动量管理控制器、常用执行机构的姿态控制与能量存储特性分析以及空间站通用姿态控制框架考虑了工程设计需求,对发展我国空间站的姿态控制技术具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.1.1 空间站简介
• 1.1.2 我国载人航天工程发展概况
• 1.1.3 空间站姿态控制问题
• 1.2 空间站姿态控制技术发展历程
• 1.2.1 姿态控制执行机构
• 1.2.2 姿态控制与动量管理
• 1.2.3 姿态控制与能量存储
• 1.2.4 发展历程总结
• 1.3 姿态控制与动量管理研究进展
• 1.3.1 动力学研究
• 1.3.2 控制研究
• 1.3.3 控制力矩陀螺研制
• 1.4 姿态控制与能量存储研究进展
• 1.4.1 动力学与控制研究
• 1.4.2 飞轮研制
• 1.4.3 变速控制力矩陀螺研制
• 1.5 主要内容安排
• 第二章 基本模型
• 2.1 参考坐标系及姿态参数
• 2.1.1 参考坐标系
• 2.1.2 姿态参数
• 2.1.3 矢量运算
• 2.2 使用角动量交换装置的航天器姿态动力学模型
• 2.2.1 使用变速控制力矩陀螺的姿态动力学模型
• 2.2.2 使用飞轮的姿态动力学模型
• 2.2.3 使用单框架控制力矩陀螺的姿态动力学模型
• 2.2.4 简化模型
• 2.3 姿态控制与动量管理基本模型
• 2.4 姿态控制与能量存储基本模型
• 2.4.1 力矩方程
• 2.4.2 储能方程
• 2.5 小结
• 第三章 空间站长期在轨运行的姿态控制与动量管理
• 3.1 引言
• 3.2 零姿态附近线性化的姿态控制与动量管理控制器
• 3.2.1 零姿态附近线性化模型
• 3.2.2 零姿态附近线性化控制器
• 3.2.3 算例
• 3.3 力矩平衡姿态求解及特性研究
• 3.3.1 力矩平衡姿态求解
• 3.3.2 力矩平衡姿态特性
• 3.3.3 算例
• 3.4 力矩平衡姿态附近线性化的姿态控制与动量管理控制器
• 3.4.1 力矩平衡姿态附近线性化模型
• 3.4.2 算例
• 3.5 小结
• 第四章 空间站构型变化的姿态控制与动量管理
• 4.1 引言
• 4.2 线性自适应控制器
• 4.2.1 自适应控制器框架
• 4.2.2 TEA 实时计算
• 4.3 神经网络反馈线性化控制器
• 4.3.1 反馈线性化
• 4.3.2 CMAC 神经网络
• 4.3.3 CMAC 反馈线性化控制器
• 4.3.4 稳定性分析
• 4.3.5 算例
• 4.4 空间站舱段转移的姿态控制与动量管理仿真
• 4.4.1 空间站舱段转移过程建模
• 4.4.2 线性自适应控制
• 4.4.3 神经网络反馈线性化控制
• 4.5 小结
• 第五章 空间站姿态控制与能量存储执行机构特性分析
• 5.1 引言
• 5.2 单框架控制力矩陀螺的姿态控制
• 5.2.1 奇异性和角动量包络
• 5.2.2 奇异点分类
• 5.2.3 算例
• 5.3 变速控制力矩陀螺的姿态控制与能量存储
• 5.3.1 奇异性分析
• 5.3.2 角动量包络
• 5.3.3 避免奇异的条件
• 5.3.4 操纵律
• 5.4 飞轮的姿态控制与能量存储
• 5.4.1 奇异性分析
• 5.4.2 角动量包络
• 5.4.3 操纵律
• 5.5 单框架控制力矩陀螺和飞轮混合机构的姿态控制与能量存储
• 5.5.1 操纵方程
• 5.5.2 奇异性分析
• 5.5.3 操纵律
• 5.6 各类执行机构的对比分析
• 5.6.1 奇异性对比
• 5.6.2 角动量包络对比
• 5.6.3 特性总结
• 5.7 小结
• 第六章 考虑动量因素的空间站姿态控制与能量存储
• 6.1 引言
• 6.2 考虑动量管理的姿态控制与能量存储一体化控制
• 6.2.1 一体化控制框架
• 6.2.2 使用飞轮的一体化控制仿真
• 6.2.3 使用变速控制力矩陀螺的一体化控制仿真
• 6.2.4 性能理论分析
• 6.3 考虑动量反馈的姿态控制与能量存储一体化控制
• 6.3.1 一体化控制框架
• 6.3.2 稳定性分析
• 6.3.3 使用飞轮的一体化控制仿真
• 6.3.4 使用变速控制力矩陀螺的一体化控制仿真
• 6.4 一体化控制的性能分析
• 6.4.1 两种一体化控制的对比
• 6.4.2 一体化控制与非一体化控制的对比
• 6.5 我国空间站姿态控制框架构想
• 6.5.1 执行机构和任务模式分析
• 6.5.2 通用姿态控制框架
• 6.5.3 通用姿态控制框架仿真与分析
• 6.6 小结
• 结束语
• 论文主要研究成果
• 进一步的工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 拟牛顿迭代法计算步骤
• 附录B 使用单框架控制力矩陀螺和姿控/储能飞轮混合机构的仿真结果