航天器姿軌一體化建模與協(xié)同控制.pdf

1、隨著航天技術(shù)的成熟和發(fā)展，空間任務(wù)趨于復(fù)雜，對(duì)航天器軌道和姿態(tài)的動(dòng)力學(xué)建模和控制要求提出了更高的要求。此外，姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和軌道運(yùn)動(dòng)之間的耦合影響、外界干擾和模型不確定性的存在使航天器姿軌一體化動(dòng)力學(xué)建模和控制問題更加復(fù)雜化。在此背景下，本文研究了基于對(duì)偶四元數(shù)的航天器姿軌一體化動(dòng)力學(xué)建模及有限時(shí)間控制問題。主要完成了如下幾個(gè)方面的工作：
　　利用對(duì)偶四元數(shù)可以在同一數(shù)學(xué)框架內(nèi)同時(shí)描述姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和軌道運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢，研究了基于對(duì)偶四元數(shù)的航天

2、器姿軌一體化運(yùn)動(dòng)模型。首先利用對(duì)偶四元數(shù)以一體化的形式描述航天器的一般性空間運(yùn)動(dòng)，建立了單航天器姿軌一體化運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)姿軌一體化動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；針對(duì)航天器動(dòng)力學(xué)模型中存在的姿態(tài)軌道耦合問題，進(jìn)行了姿態(tài)軌道耦合特性分析；并針對(duì)存在質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不確定性的情況，分析動(dòng)力學(xué)模型中由模型不確定性引起的干擾。針對(duì)航天器姿軌一體化跟蹤控制問題，設(shè)計(jì)了 PD控制器，并利用 Lyapunov理論證明了系統(tǒng)的漸

3、近收斂。最后進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的正確性。
　　針對(duì)航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)姿軌一體化控制問題，在建立了剛體航天器姿軌一體化動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，在考慮了存在外部干擾和模型不確定性的情況下，設(shè)計(jì)了滑模變結(jié)構(gòu)控制器，并選取合適的Lyapunov函數(shù)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；設(shè)計(jì)快速終端滑?？刂破?，實(shí)現(xiàn)航天器姿軌一體化有限時(shí)間控制；針對(duì)控制器產(chǎn)生的奇異問題進(jìn)行了深入研究，并設(shè)計(jì)了非奇異終端滑?？刂破?，并利用 Lyapunov理論證明整個(gè)閉環(huán)系

4、統(tǒng)的全局有限時(shí)間收斂。最后對(duì)控制器進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證其有效性和可行性。
　　當(dāng)由于空間環(huán)境的復(fù)雜性，而不能獲知外部干擾和模型不確定性的信息時(shí)，設(shè)計(jì)了兩種自適應(yīng)控制器。第一種是可對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)辨識(shí)的自適應(yīng)滑?？刂破?；第二種是不含模型參數(shù)的魯棒自適應(yīng)控制器。兩種控制器均能保證閉環(huán)系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定，誤差對(duì)偶四元數(shù)和對(duì)偶旋量誤差可漸近收斂到平衡點(diǎn)，并對(duì)外部干擾及模型不確定性具有更強(qiáng)的魯棒性。通過數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制器的有效性和可行