航天器過驅動控制分配方法及應用研究.pdf

1、為確保航天器在軌可靠運行,通常配置冗余執(zhí)行機構,實現航天器過驅動控制系統(tǒng)的動態(tài)管理,以此增加系統(tǒng)可靠性、大幅提高系統(tǒng)功能密度與控制輸出能力。針對冗余配置的航天器控制系統(tǒng),本學位論文開展了系統(tǒng)的建模與分析、控制分配算法設計、以及相關背景任務應用等研究,并基于單軸氣浮臺仿真環(huán)境,進行了物理仿真實驗。
　　首先,分析了引入控制分配環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。以引入直接分配法與偽逆法的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)為例,建立了兩種算法的分配誤差模型,并基于

2、Lyapunov穩(wěn)定性定理,分析了誤差對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。直接分配法僅在可達集外部出現分配誤差,當配置輸出足夠克服干擾力矩影響時,算法仍可保證系統(tǒng)穩(wěn)定,但系統(tǒng)收斂時間延長;偽逆法在可達集內外均存在分配誤差,不僅減緩系統(tǒng)收斂時間,且分配誤差過大時,系統(tǒng)穩(wěn)定性也將隨之惡化。
　　在穩(wěn)定性分析基礎上,提出了基于歸一化可達集頂點的改進直接分配法。直接分配法的分配時間特性較差,難于星載實時應用。為此,改進算法在保持原算法優(yōu)點基礎上,重點縮減

3、其離線計算與在線計算時間。離線計算負責構建配置可達集信息,為減少其計算時間,提出了基于效力矩陣零空間的構建方法,快速構建配置的可達集信息及其歸一化頂點信息;在線計算根據可達集信息實時生成配置控制指令,為提高其計算效率,提出了基于歸一化可達集頂點信息的相交表面搜索方法,將相交表面的搜索范圍有效限制在期望力矩方向的局部區(qū)域內。
　　隨后,針對具體的航天器控制任務,開展了控制分配理論的應用研究。
　　儲能與姿控一體化系統(tǒng)采用飛輪同

4、時實現能量儲存與釋放,以及力矩輸出的功能。根據任務需求,提出了異構飛輪配置的最優(yōu)構型設計方法,建立配置的輸出容積計算模型,并基于優(yōu)化理論,推導最優(yōu)構型滿足的等式條件,以及求取數值解的迭代方法。在異構四飛輪配置應用中,針對不同控制模式需求,分別提出了相應的控制分配算法,使得配置在充分發(fā)揮其儲能與力矩輸出能力的同時,實現系統(tǒng)的最低能耗管理。
　　內編隊系統(tǒng)以內、外衛(wèi)星維持高精度編隊的形式反演純引力軌道環(huán)境,控制系統(tǒng)需實時考慮編隊的姿態(tài)

5、與軌道控制問題。為此,設計采用一套冗余推力器配置,實現外衛(wèi)星的姿軌一體化控制。根據任務要求,提出了冗余推力器配置的構型設計與評價方法,根據設計要求與功能約束設計推力器構型,并通過冗余度檢驗、控制輸出能力檢驗等方法,判定既得構型的故障容錯能力與受約束控制輸出能力。在建立內、外衛(wèi)星的相對運動模型基礎上,設計了系統(tǒng)的控制算法與控制分配算法。基于Lyapunov理論的控制算法可保證系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性,而一體化控制分配算法以燃料消耗最省為指標,可顯

6、著減少推進劑的無謂損耗,并有效規(guī)避推力器的飽和與故障風險。
　　最后,進行了基于單軸氣浮臺的物理仿真實驗。設計了單軸臺大角度快速機動與高精度穩(wěn)定控制物理仿真方案,采用推力器與飛輪聯合配置,在相平面內基于有限時間控制理論,設計聯合配置的有限時間控制方法。新方法可將單軸臺快速、高精度穩(wěn)定于目標姿態(tài),并能有效規(guī)避推力器的頻繁開關與飛輪的過快飽和問題。將實物飛輪與虛擬飛輪相結合,設計了航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)半物理仿真實驗方案。采用速率受限控制