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质量体附着航天器模型参数辨识及姿态跟踪耦合控制研究

作　者: 韦文书
导　师: 荆武兴
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 质量体附着航天器多体系统质量特性参数辨识姿态跟踪耦合控制变轨推进
分类号: V448.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

航天器携带着质量特性未知的物体(称为质量体附着航天器)进行轨道机动和姿态稳定跟踪控制是未来高级空间任务经常遇到的问题。例如航天器将空间垃圾清理到废弃轨道或送入大气层、航天器从外天体采样返回等，均需要姿轨耦合控制操作。与传统任务的航天器不同，质量体附着航天器构型和质量特性参数变化较大、轨道动力学和姿态动力学强烈耦合、姿态控制系统的稳定跟踪控制面临巨大挑战。因此，对质量体附着航天器这类复杂非线性不确定系统的动力学和控制问题进行研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文以附着未知质量体的航天器变轨推进过程中的姿态跟踪稳定控制为背景，重点研究这一复杂系统的数学模型建立、质量特性参数辨识和姿态跟踪耦合控制等问题，主要包括以下几部分：研究质量体附着航天器的数学模型问题。任何系统的研究分析都是基于正确描述系统的数学模型开展的，建立质量体附着航天器的数学模型是本文研究工作的基础和关键所在。针对质量体附着航天器的特点，本文将其抽象为一个平台和附着在平台周围的子体组成的多体系统。针对航天器和子体为常质量或变质量、子体相对平台运动或锁定等情况，给出了质量体附着航天器的一般数学模型。分析了质量体附着航天器参数干扰和输入干扰的产生机理，此二种干扰对姿态的稳定跟踪会产生严重影响。针对参数干扰问题，采用辨识理论估计大范围变化的质量特性参数，以便在控制中进行补偿。质量体附着航天器的质量特性参数均未知，而这些参数的联合辨识目前尚未完全解决。通过对数学模型中待辨识参数和可选信号源的分析，选取摇摆发动机的摆动运动为信号源、角速度和加速度为观测量，在此基础上，提出了质量特性参数辨识方案。鉴于质量体附着航天器参数变化大，为确保算法收敛，基于敏感器测量数据，并考虑初始角动量可能不为零和数据存在噪声等情况提出一套质量特性参数初值解算方法。基于解算的参数初值，采用Levenberg-Marquardt算法对质量特性参数进行迭代估计。利用数值仿真手段分析影响辨识精度的因素如仪器误差、发动机摆动周期、发动机摆动幅值和发动机与航天器的质量比等，验证质量特性参数联合估计问题的解决方法。研究质量体附着航天器在变轨推进过程中的姿态跟踪耦合控制问题。针对参数干扰问题，通过构造拟欧拉角和拟欧拉角速度将参数确定后的质量体附着航天器动力学模型转换为摄动双积分系统，采用滑模变结构理论设计了控制律，分析了输入干扰以及辨识偏差情况下闭环姿态控制系统的稳定性。针对变轨过程中轨控发动机带来的强输入干扰问题，提出利用发动机摆动使得推力方向穿过航天器质心以消除推力干扰的策略，建立了发动机摆动指令与航天器质心位置之间的关系。为确保推力方向指向变轨要求方向，根据发动机相对平台的状态和制导方向，利用四元数理论建立了变轨过程中航天器的耦合控制指令姿态。数值仿真结果验证了文中提出的策略和控制系统能够克服参数变化带来的强干扰，解决质量体附着航天器的姿态跟踪耦合控制问题。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-32
  1.1 课题背景及研究目的和意义  15-16
  1.2 质量体附着航天器研究现状  16-19
    1.2.1 质量体附着航天器应用现状  16-18
    1.2.2 质量体附着航天器建模现状  18-19
  1.3 航天器参数辨识研究现状  19-24
    1.3.1 航天器参数辨识准则研究现状  19-21
    1.3.2 航天器参数的可辨识性研究现状  21-22
    1.3.3 航天器质量特性参数辨识研究现状  22-23
    1.3.4 航天器参数辨识中尚需进一步研究的问题  23-24
  1.4 参数变化航天器控制研究现状  24-28
    1.4.1 参数变化航天器鲁棒控制研究现状  24-26
    1.4.2 参数变化航天器自适应控制研究现状  26-27
    1.4.3 结构和控制耦合的一体化设计技术  27-28
  1.5 关键问题及内容安排  28-32
    1.5.1 关键问题  28-29
    1.5.2 章节安排  29-32
第2章质量体附着航天器数学模型及分析  32-59
  2.1 引言  32
  2.2 问题描述  32-34
    2.2.1 质量体附着航天器典型任务描述  32-33
    2.2.2 质量体附着航天器抽象化处理  33-34
  2.3 相关坐标系及定义  34-38
    2.3.1 坐标系定义  35
    2.3.2 坐标系转换关系  35-38
  2.4 质量体附着航天器一般数学模型建立  38-48
    2.4.1 基本准则和定理  38-40
    2.4.2 质量体附着航天器的角动量方程  40-43
    2.4.3 质量体附着航天器的动力学模型  43-48
  2.5 质量体附着航天器数学模型讨论  48-52
    2.5.1 质量体附着航天器角动量方程的讨论  48-49
    2.5.2 质量体附着航天器平动动力学讨论  49-50
    2.5.3 质量体附着航天器转动动力学讨论  50-52
  2.6 质量体附着前后航天器动力学模型对比分析  52-58
    2.6.1 携带摇摆发动机的质量体附着航天器动力学模型  54-56
    2.6.2 质量体附着前后模型对比分析  56-58
  2.7 本章小结  58-59
第3章质量体附着航天器参数辨识方案设计  59-77
  3.1 引言  59
  3.2 质量特性参数辨识方案设计  59-66
    3.2.1 参数辨识的信号源选取  60-63
    3.2.2 参数辨识的观测量选取  63-66
  3.3 质量特性参数辨识方案的可行性分析  66-72
    3.3.1 待辨识参数的可辨识性分析方法  66-68
    3.3.2 待辨识参数的可辨识度分析方法  68-70
    3.3.3 待辨识参数的可辨识性和可辨识度计算  70-72
  3.4 辨识方案中测量数据有效性分析  72-75
  3.5 本章小结  75-77
第4章质量体附着航天器质量特性参数联合辨识  77-98
  4.1 引言  77
  4.2 质量特性参数辨识的初值问题  77-88
    4.2.1 质心位置和质量的初值解算方法  77-82
    4.2.2 转动惯量的初值解算方法  82-86
    4.2.3 质量特性参数初值计算  86-88
  4.3 质量特性参数联合辨识  88-93
    4.3.1 基于最小方差准则的辨识方法  89-92
    4.3.2 参数联合辨识数学仿真  92-93
  4.4 影响参数辨识精度的因素分析  93-96
  4.5 本章小结  96-98
第5章变轨推进过程中姿态跟踪耦合控制问题  98-132
  5.1 引言  98-99
  5.2 基于参数辨识结果的航天器控制系统设计  99-111
    5.2.1 质量体附着航天器的控制系统模型  99-101
    5.2.2 质量体附着航天器的控制逻辑设计  101-102
    5.2.3 质量体附着航天器闭环系统的稳定性  102-105
    5.2.4 参数辨识偏差和执行机构干扰对控制器的影响分析  105-107
    5.2.5 质量体附着航天器的控制器仿真验证  107-111
  5.3 消除轨控发动机输入干扰的自主稳定策略  111-118
    5.3.1 基于可移动部件的常用自主稳定策略及其限制  111-113
    5.3.2 基于摇摆发动机摆动运动的自主稳定策略  113-114
    5.3.3 摇摆发动机指令摆角与平台质心的关系  114-115
    5.3.4 基于发动机摆动的自主稳定策略的最大质心偏移范围  115-118
  5.4 航天器跟踪耦合控制过程中指令姿态确定  118-121
  5.5 变轨前航天器质心大偏移影响的消除和姿态调整仿真  121-124
    5.5.1 仿真条件  121-122
    5.5.2 仿真结果及分析  122-124
  5.6 变轨推进过程中的姿态跟踪耦合控制问题  124-131
    5.6.1 变轨推进过程中平台质量特性参数  125-127
    5.6.2 变轨过程中发动机的摆动规律  127-128
    5.6.3 数学仿真及分析  128-131
  5.7 本章小结  131-132
结论  132-135
参考文献  135-146
附录 A 液体发动机特性  146-150
附录 B 四元数描述的姿态运动学  150-151
攻读学位期间发表的学术论文  151-153
致谢  153-154
个人简历  154

质量体附着航天器模型参数辨识及姿态跟踪耦合控制研究

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