空间电磁对接动力学和控制研究

论文摘要

随着微小卫星技术、在轨服务技术和空间对抗技术的发展,航天器自主交会对接成为当前航天领域新的研究热点。传统基于推力器的航天器对接方式存在推进剂消耗、羽流污染和对接冲击等问题,采用电磁对接系统可以有效克服上述问题,特点显著、应用前景广阔。本文以电磁对接系统的动力学与控制问题为对象,对电磁对接系统的作用原理、系统模型、控制策略以及地面测试验证技术进行了研究。论文工作主要包括以下三方面:首先,根据电磁场基本理论,推导建立了基于单线圈的电磁力/力矩作用的精确模型、远场模型和中场模型和多线圈的二维远场模型,为研究电磁对接非线性控制问题提供了系统模型。在此基础上,分析了地球磁场在电磁对接过程中对卫星的影响,结果表明地球磁场产生的干扰力很小,但干扰力矩不能忽略。其次,针对地面简化条件下的电磁对接控制问题,采用变参数PD控制和滑模控制方法,建立了相应的非线性控制策略,并进行了比较。仿真结果表明,在一个控制量有约束的条件下,这两种控制策略都能够完成电磁柔性对接任务,且各有优劣之处。最后,论文给出了电磁力地面测量控制系统的总体设计,通过实验测量结果验证了第二章单线圈模型理论的正确性,提出了控制策略实验验证方案,探讨了下一步实验的初步构想。目前,航天器电磁对接技术研究还处于探索阶段,在理论和工程上都有相当难度。本文对电磁对接动力学与控制问题进行了初步研究,为电磁对接系统的设计与地面验证打下了一定基础。下一步将针对空间环境下的电磁对接非线性控制策略以及基于气浮台的地面演示验证技术方面进行深入研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 交会对接概念与技术发展
• 1.2 航天器电磁对接原理与特点
• 1.3 国内外相关研究现状及发展趋势
• 1.3.1 电磁系统设计与实验
• 1.3.2 电磁力/力矩建模仿真
• 1.3.3 非线性控制技术
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 电磁作用力与力矩模型
• 2.1 概述
• 2.2 单线圈模型
• 2.2.1 精确模型
• 2.2.2 远场模型
• 2.2.3 中场模型
• 2.3 远场模型的转换和化简
• 2.3.1 三维远场模型的转换
• 2.3.2 二维远场模型的转换和化简
• 2.4 多线圈二维远场模型
• 2.4.1 数值叠加算法
• 2.4.2 积分求解算法
• 2.5 小结
• 第三章 地球磁场的影响
• 3.1 概述
• 3.2 地球磁场产生的干扰力的影响
• 3.3 地球磁场产生的干扰力矩的影响
• 3.4 小结
• 第四章 电磁力柔性对接非线性控制策略研究
• 4.1 概述
• 4.2 动力学模型
• 4.2.1 坐标系定义
• 4.2.2 控制要求
• 4.2.3 动力学方程
• 4.3 变参数PD 控制器设计
• 4.3.1 PID 控制原理
• 4.3.2 一维PD 控制器设计
• 4.3.3 二维PD 控制器设计
• 4.3.4 仿真算例
• 4.4 滑模控制器设计
• 4.4.1 滑模控制基本理论
• 4.4.2 一维滑模控制器设计
• 4.4.3 二维滑模控制器设计
• 4.4.4 仿真算例
• 4.5 两种控制器设计方法的对比分析
• 4.6 小结
• 第五章 电磁力/力矩模型与控制策略实验验证
• 5.1 概述
• 5.2 电磁力/力矩地面测量控制系统设计
• 5.2.1 系统硬件装置设计
• 5.2.2 系统软件设计
• 5.3 电磁力/力矩模型实验验证
• 5.4 控制策略实验验证方案
• 5.4.1 电磁试验件设计
• 5.4.2 一维控制策略实验验证方案
• 5.4.3 二维控制策略实验验证方案
• 5.5 下一步实验的初步构想
• 5.6 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果