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航天器非线性姿态控制算法研究

作　者: 孟思明
导　师: 吕建婷
学　校: 黑龙江大学
专　业: 运筹学与控制论
关键词: 航天器姿态控制航天器编队飞行姿态协调有限时间控制
分类号: V448.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着航天技术的不断发展,航天器的姿态控制问题引起了国内外专家学者们的广泛关注.本文分别以单个航天器和编队航天器为研究对象,对航天器的姿态控制问题进行了深入的研究,主要完成了以下几方面的工作：介绍了非线性系统一些常用的稳定性定义及理论.并介绍了代数图论的基本概念及跟图有关的矩阵.同时给出了由四元数和修正罗德里格参数描述的姿态运动学方程以及姿态动力学方程.研究了航天器有限时间姿态控制算法.针对航天器姿态机动问题,分别在姿态角速度信息可测量和不可测量的条件下,设计了状态反馈姿态控制算法和输出反馈姿态控制算法,能够保证航天器姿态能够在有限时间内调节到期望姿态.针对航天器姿态跟踪问题,在转动惯量不确定和干扰力矩存在的情况下,设计了滑模姿态控制算法,保证闭环系统有限时间稳定.对所提出的控制算法进行了数值仿真,仿真结果验证了所设计控制律的有效性.研究了编队航天器姿态协调控制算法.针对分布式姿态一致性问题,在有向拓扑结构下,设计了姿态协调控制算法,使得在通信时延存在时航天器的姿态能够达到一致.针对分布式姿态协调跟踪问题,考虑存在干扰和转动惯量不确定性,在有向拓扑结构下,设计了滑模姿态协调跟踪控制算法,能够实现航天器的姿态同步和跟踪.进一步地,针对转动惯量不确定、干扰和通信时延同时存在的情况,在有向拓扑结构下,设计了分布式姿态协调跟踪控制算法.对所提出的控制算法进行了基于Lypunov方法的理论分析,保证了闭环系统的渐近稳定性。同时还进行了数值仿真验证,仿真结果验证了所设计的控制律的有效性。

全文目录

中文摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
符号说明  8-9
第1章绪论  9-15
  1.1 课题背景及意义  9-10
  1.2 航天器姿态控制研究现状及分析  10-13
    1.2.1 航天器姿态控制  10-11
    1.2.2 编队航天器姿态协调控制  11-13
  1.3 本文的主要研究内容  13-15
第2章预备知识  15-21
  2.1 非线性系统稳定性理论  15-16
  2.2 代数图论  16-18
  2.3 航天器姿态运动模型  18-20
    2.3.1 姿态参数的描述及运动学方程  18-20
    2.3.2 姿态动力学方程  20
  2.4 本章小结  20-21
第3章航天器有限时间姿态控制算法  21-34
  3.1 引言  21
  3.2 航天器有限时间姿态机动控制  21-28
    3.2.1 状态反馈姿态控制律设计  22-25
    3.2.2 输出反馈姿态控制律设计  25-27
    3.2.3 仿真研究  27-28
  3.3 航天器有限时间姿态跟踪控制  28-33
    3.3.1 考虑干扰抑制的姿态控制律设计  28-32
    3.3.2 仿真研究  32-33
  3.4 本章小结  33-34
第4章编队航天器姿态协调控制算法  34-46
  4.1 引言  34
  4.2 分布式姿态一致性  34-38
    4.2.1 考虑通信时延的姿态控制律设计  35-36
    4.2.2 仿真研究  36-38
  4.3 分布式姿态协调跟踪  38-45
    4.3.1 姿态控制律设计  39-41
    4.3.2 考虑通信时延的姿态控制律设计  41-43
    4.3.3 仿真研究  43-45
  4.4 本章小结  45-46
结论  46-47
参考文献  47-56
致谢  56-57
攻读学位期间发表的学术论文  57

航天器非线性姿态控制算法研究

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