文档介绍：博士学位论文
绳系航天器姿态控制及
主动振动抑制
ATTITUDE CONTROL AND ACTIVE
VIBRATION SUPPRESSION OF
TETHERED SPACECRAFT
范继祥
哈尔滨工业大学
2012 年 3 月
国内图书分类号:TP273 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工学博士学位论文
绳系航天器姿态控制及
主动振动抑制
博士研究生: 范继祥
导师: 周荻教授
申请学位: 工学博士
学科: 控制科学与工程
所在单位: 航天学院
答辩日期: 2012 年 3 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: TP273
:
Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
ATTITUDE CONTROL AND ACTIVE
VIBRATION SUPPRESSION OF
TETHERED SPACECRAFT
Candidate: Fan Jixiang
Supervisor: Prof. Zhou Di
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Control Science and Engineering
Affiliation: School of Astronautics
Date of Defence: March, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
本文主要研究了采用剪式控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscopes,
CMGs)系统作为执行机构的航天器非线性姿态控制及采用绳索作为作动器的绳
系挠性空间结构的主动振动控制问题。对上述控制问题提出了相应的控制方法。
针对刚性及挠性航天器的三轴大角度姿态机动问题,建立了由正交安装的
剪式控制力矩陀螺系统操纵的航天器姿态机动的数学模型,并在此基础上基于
Lyapunov 方法设计了刚性及挠性航天器大角度姿态机动的非线性控制律。设计
的同时证明了系统的稳定性。对正交安装的剪式控制力矩陀螺系统的奇异性进
行了分析,并将框架角同步作为一个约束条件,基于最优化方法设计了相应的
操纵律。由于陀螺同步是剪式控制力矩陀螺正常工作的前提,因此在考虑框架
轴存在常值扰动的情况下,根据推导出的剪式控制力矩陀螺精确的数学模型,
设计了陀螺系统的自适应同步控制律。
对绳系太阳能发电卫星(Space Solar Power Satellites,SSPS)的单轴回转运动
及主动振动抑制问题提出了一种复合控制方法,该复合控制系统由主动振动抑
制辅助控制器和主姿态控制器组成。基于推广的 Hamilton 原理及有限差分法建
立了绳系太阳能发电卫星的离散化数学模型。考虑到绳索通常具有单侧饱和非
线性特性,本文将这种非线性特性作为控制约束,采用一种分段非二次型性能
指标,推导了在单侧饱和约束下的最优控制律,并将其作为主动振动抑制辅助
控制系统用于挠性结构的振动控制。同时考虑到实际的控制系统很难对所有的
状态进行测量,采用 Lyapunov 方法对带有状态观测器的最优控制系统的稳定性
进行了证明。基于滑模变结构方法设计了主姿态控制器,在控制器的设计中采
用指数趋近率,并用饱和函数代替符号函数来避免激起系统的颤振。该主控制
器以剪式控制力矩陀螺作为执行机构,用于卫星的姿态控制,同时能够保证在
辅助控制器失效时,仍然对太阳能板的振动起到一定的抑制作用。
基于离散化的数学模型设计控制器时,可能会产生控制溢出,从而影响系
统的控制性能。因此,针对一类可改造的绳系空间结构的姿态稳定和绳系太阳
能发电卫星单轴回转机动及主动振动抑制问题,提出了一种基于连续系统模型
的复合控制策略。采用推广的 Hamilton 原理分别建立了可改造的绳系空间结构
和绳系太阳能发电卫星的数学模型,两个模型均采用偏微分方程的形式。对上
述两个控制问题,分别基于任务函数(Mission Function,MF)方法设计了由主
动振动抑制辅助控制器和主姿态控制