航天器近距離運動的魯棒姿軌聯(lián)合控制.pdf

1、航天器的姿態(tài)與軌道控制是空間任務(wù)成功與否的關(guān)鍵。隨著空間需求的日益增多,特別是對于以在軌服務(wù)、編隊飛行、行星軟著陸過程的終端著陸和空間攔截等為代表的空間近距離運動任務(wù),航天器在受控飛行過程中,其位姿需要快速地、同時地滿足高精度的控制要求。傳統(tǒng)的航天器姿軌獨立控制方式已逐漸不能滿足這些新型空間任務(wù)的控制精度及機動性能的需求。相比之下,航天器的姿軌聯(lián)合控制方式能夠充分考慮并利用姿態(tài)動力學與軌道動力學之間的耦合關(guān)系,將兩者視為整體,采用統(tǒng)一的

2、控制算法同時調(diào)整星體位姿,從系統(tǒng)和全局角度來處理問題,能夠從本質(zhì)上提高任務(wù)的控制精度和機動性能。因此,研究航天器近距離運動的姿軌聯(lián)合控制具有非常重要的理論意義與工程應(yīng)用價值。本論文以航天器的兩類近距離運動任務(wù)——空間近距離操作和空間相對軌道機動為研究背景,對航天器近距離運動的姿態(tài)軌道一體化建模與控制進行了研究,主要內(nèi)容包括:
　　建立了面向兩類空間近距離運動任務(wù)的航天器姿軌耦合動力學模型。根據(jù)空間近距離操作和空間相對軌道機動的任務(wù)

3、特點,分別提出了控制機構(gòu)的配置方案,在此基礎(chǔ)上,分析航天器姿態(tài)與軌道之間的耦合關(guān)系,建立了對應(yīng)的姿軌耦合動力學模型。根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)配置方式的不同,兩類動力學模型分別表現(xiàn)為全驅(qū)動系統(tǒng)和欠驅(qū)動系統(tǒng)。
　　針對空間近距離操作任務(wù),為充分利用執(zhí)行機構(gòu)全驅(qū)動控制特點,以提高系統(tǒng)的機動性能及控制精度,研究了航天器姿軌聯(lián)合有限時間控制問題。針對這一問題,本文提出了基于軌跡跟蹤思想的魯棒姿軌聯(lián)合有限時間控制律,通過設(shè)計一類動態(tài)性能良好且有限時間收斂

4、的運動軌跡,將有限時間控制問題等價地轉(zhuǎn)化為對設(shè)計軌跡的跟蹤問題,并利用自適應(yīng)Backstepping技術(shù)設(shè)計了控制律,使得航天器的位姿在星體質(zhì)量特性未知,推力器安裝誤差和外界干擾存在的情況下,在預(yù)定的時間內(nèi)達到期望值。另外,考慮到控制算法中對執(zhí)行機構(gòu)安裝誤差的補償項使得控制輸入指令不易求取,提出了一種基于優(yōu)化思想的控制輸入計算方法,保證推力輸入指令的在線實時解算。隨后針對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的“振顫”現(xiàn)象進行了分析,并改進了控制算法,給出了嚴

5、格的穩(wěn)定性分析。數(shù)值仿真驗證了所設(shè)計的有限時間控制律的有效性。
　　同樣針對空間近距離操作任務(wù),考慮到實際中執(zhí)行機構(gòu)幅值受限,研究了含有控制飽和的航天器姿軌聯(lián)合控制問題,并進一步研究了含有控制飽和的有限時間姿軌聯(lián)合控制問題。首先,基于抗飽和控制思想,結(jié)合自適應(yīng)Backstepping技術(shù),提出了具有抗飽和能力的魯棒姿軌聯(lián)合控制律,通過在虛擬控制中引入一個輔助信號,并對其動力學的巧妙設(shè)計,有效補償了控制飽和誤差帶來的系統(tǒng)性能損失。隨

6、后,為兼顧抗飽和能力及有限時間控制律的強機動性和高控制精度,將已設(shè)計的魯棒有限時間控制律和抗飽和控制律結(jié)合,基于切換思想,提出了抗飽和魯棒有限時間姿軌聯(lián)合控制律,并基于切換系統(tǒng)理論給出了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。仿真結(jié)果表明,初期運行的抗飽和控制律能夠有效處理執(zhí)行機構(gòu)飽和問題,當系統(tǒng)退飽和且滿足給定的切換條件時,控制律切換至有限時間控制律,能夠保證航天器相對位姿以較小的方法誤差快速收斂于期望狀態(tài),較好地吸取了兩者的優(yōu)勢。
　　針對空間

7、相對軌道機動任務(wù),提出了基于濾波Backstepping技術(shù)的魯棒姿軌聯(lián)合控制律,解決了欠驅(qū)動情形下的航天器姿軌聯(lián)合控制問題。由于這類任務(wù)中,單臺軌控發(fā)動機的固連安裝導(dǎo)致軌控推力矢量與星體姿態(tài)角呈非線性耦合關(guān)系,使得現(xiàn)有的非線性控制技術(shù)很難直接使用,這成為該類任務(wù)的姿軌聯(lián)合控制問題的一個設(shè)計難點。本文基于三角函數(shù)性質(zhì),提出了一種向量分解技術(shù),巧妙地處理了這種非線性級聯(lián)關(guān)系,使得Backstepping思想得以成功應(yīng)用。由于系統(tǒng)階次較高,

8、在利用Backstepping技術(shù)進行控制律設(shè)計時,每一步設(shè)計均引入一階濾波器以避免“級數(shù)膨脹”現(xiàn)象。隨后,從理論上給出了嚴格的閉環(huán)穩(wěn)定性分析,其中,利用奇異擾動理論證明了標稱情形下閉環(huán)系統(tǒng)的指數(shù)穩(wěn)定性,并利用Lyapunov理論證明了一般情形下閉環(huán)系統(tǒng)的最終一致有界性。最后,通過對月面軟著陸最終著陸段的仿真驗證了所提出控制律的有效性。
　　最后,研究了一類特殊的空間相對軌道機動任務(wù)——近圓軌道目標交會的姿軌聯(lián)合控制問題。需要指出

9、的是,利用本文所提出的向量分解技術(shù)可以將該控制問題轉(zhuǎn)化為對一類推廣的半嚴反饋系統(tǒng)的輸出鎮(zhèn)定問題,該系統(tǒng)具有低階子系統(tǒng)呈線性形式、高階子系統(tǒng)呈半嚴反饋形式且整體系統(tǒng)呈現(xiàn)級聯(lián)形式的結(jié)構(gòu)特點。因此,首先針對這類非線性系統(tǒng),根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點,提出了一種基于H∞技術(shù)的魯棒自適應(yīng)Backstepping控制方法,解決了這類推廣的半嚴反饋系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)控制問題,所設(shè)計的控制律不僅能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而且能夠按給定水平實現(xiàn)對系統(tǒng)不確定性的抑制。隨