考虑动量管理和能量存储的空间站姿态控制研究
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姿态控制技术是发展空间站待解决的关键技术之一。论文以载人航天三期空间站工程的关键技术预先研究为背景,系统地研究了考虑动量管理和能量存储的空间站姿态控制问题。全文主要研究成果如下:发展了力矩平衡姿态的求解方法和稳定性判断方法。1)针对传统力矩平衡姿态求解方法复杂且求解精度低的不足,提出采用拟牛顿迭代法求解力矩平衡姿态非线性方程组,该方法提高了力矩平衡姿态的求解精度和效率;2)采用Lyapunov理论中求解导算子特征值的方法进行力矩平衡姿态稳定性研究,并通过仿真验证力矩平衡姿态作为平衡姿态的优点和用导算子的特征值判断力矩平衡姿态稳定性方法的有效性。改进了空间站姿态控制与动量管理线性和非线性控制器。1)设计了一个基于力矩平衡姿态实时计算的自适应控制器,实现真正意义上的自适应控制;2)结合小脑模型神经网络控制的特点改进已有的反馈线性化非线性控制器,证明了改进后的控制器的稳定性;3)仿真验证了这两个控制器对姿态控制与动量管理控制的有效性。研究总结了空间站四种常用角动量交换装置的姿态控制与能量存储特性。这四种常用角动量交换装置包括单框架控制力矩陀螺、变速控制力矩陀螺、飞轮、单框架控制力矩陀螺和飞轮混合机构。1)总结了单框架控制力矩陀螺进行姿态控制和其它三类机构进行姿态控制与能量存储的奇异性、角动量包络和操纵律特性;2)推导了金字塔构型变速控制力矩陀螺的避免奇异条件数;3)总结了这四类执行机构进行姿态控制与能量存储的优缺点。研究提出了基于动量管理和基于动量反馈的两种姿态控制与能量存储框架。1)综合考虑姿态控制与动量管理和姿态控制与能量存储的优势,提出了考虑动量管理和考虑动量反馈的姿态控制与能量存储框架;2)证明了动量管理能使飞轮和变速控制力矩陀螺远离饱和和奇异,从理论上分析了动量反馈的稳定性条件,并通过仿真验证了这两个框架的有效性;3)总结了两种一体化框架的优缺点。建立了空间站通用姿态控制框架。1)结合我国的实际情况,分析了我国未来空间站的姿态控制模式和可能的姿态控制角动量交换装置,设计了面向空间站长期在轨各种可能姿态控制任务的考虑动量管理和能量存储的通用姿态控制框架;2)给出了一类用于姿态对地定向和姿态机动的自抗扰控制器;3)基于设计的通用框架,进行设备正常或故障情况时包括姿态机动、姿态对力矩平衡姿态定向和姿态对地定向三种姿态控制任务的仿真,验证了该通用姿态控制框架的有效性和通用性。论文拓展了现有的考虑动量管理和能量存储的空间站姿态控制的研究范畴,发展了力矩平衡姿态的稳定性判据,证明了基于动量管理和基于动量反馈的两种姿态控制与能量存储框架的稳定性,具有一定的理论意义;论文所研究的力矩平衡姿态计算方法、姿态控制与动量管理控制器、常用执行机构的姿态控制与能量存储特性分析以及空间站通用姿态控制框架考虑了工程设计需求,对发展我国空间站的姿态控制技术具有一定的参考价值。
摘要 | 第16-18页 |
ABSTRACT | 第18-19页 |
第一章 绪论 | 第20-43页 |
1.1 论文的研究背景 | 第20-22页 |
1.1.1 空间站简介 | 第20-21页 |
1.1.2 我国载人航天工程发展概况 | 第21页 |
1.1.3 空间站姿态控制问题 | 第21-22页 |
1.2 空间站姿态控制技术发展历程 | 第22-28页 |
1.2.1 姿态控制执行机构 | 第22-24页 |
1.2.2 姿态控制与动量管理 | 第24-25页 |
1.2.3 姿态控制与能量存储 | 第25-28页 |
1.2.4 发展历程总结 | 第28页 |
1.3 姿态控制与动量管理研究进展 | 第28-35页 |
1.3.1 动力学研究 | 第28-29页 |
1.3.2 控制研究 | 第29-34页 |
1.3.3 控制力矩陀螺研制 | 第34-35页 |
1.4 姿态控制与能量存储研究进展 | 第35-41页 |
1.4.1 动力学与控制研究 | 第35-37页 |
1.4.2 飞轮研制 | 第37-40页 |
1.4.3 变速控制力矩陀螺研制 | 第40-41页 |
1.5 主要内容安排 | 第41-43页 |
第二章 基本模型 | 第43-57页 |
2.1 参考坐标系及姿态参数 | 第43-47页 |
2.1.1 参考坐标系 | 第43-44页 |
2.1.2 姿态参数 | 第44-46页 |
2.1.3 矢量运算 | 第46-47页 |
2.2 使用角动量交换装置的航天器姿态动力学模型 | 第47-53页 |
2.2.1 使用变速控制力矩陀螺的姿态动力学模型 | 第47-51页 |
2.2.2 使用飞轮的姿态动力学模型 | 第51页 |
2.2.3 使用单框架控制力矩陀螺的姿态动力学模型 | 第51-52页 |
2.2.4 简化模型 | 第52-53页 |
2.3 姿态控制与动量管理基本模型 | 第53-54页 |
2.4 姿态控制与能量存储基本模型 | 第54-55页 |
2.4.1 力矩方程 | 第54-55页 |
2.4.2 储能方程 | 第55页 |
2.5 小结 | 第55-57页 |
第三章 空间站长期在轨运行的姿态控制与动量管理 | 第57-79页 |
3.1 引言 | 第57页 |
3.2 零姿态附近线性化的姿态控制与动量管理控制器 | 第57-63页 |
3.2.1 零姿态附近线性化模型 | 第57-59页 |
3.2.2 零姿态附近线性化控制器 | 第59-61页 |
3.2.3 算例 | 第61-63页 |
3.3 力矩平衡姿态求解及特性研究 | 第63-73页 |
3.3.1 力矩平衡姿态求解 | 第63-64页 |
3.3.2 力矩平衡姿态特性 | 第64-68页 |
3.3.3 算例 | 第68-73页 |
3.4 力矩平衡姿态附近线性化的姿态控制与动量管理控制器 | 第73-78页 |
3.4.1 力矩平衡姿态附近线性化模型 | 第73-75页 |
3.4.2 算例 | 第75-78页 |
3.5 小结 | 第78-79页 |
第四章 空间站构型变化的姿态控制与动量管理 | 第79-94页 |
4.1 引言 | 第79页 |
4.2 线性自适应控制器 | 第79-80页 |
4.2.1 自适应控制器框架 | 第79-80页 |
4.2.2 TEA 实时计算 | 第80页 |
4.3 神经网络反馈线性化控制器 | 第80-87页 |
4.3.1 反馈线性化 | 第81-82页 |
4.3.2 CMAC 神经网络 | 第82-83页 |
4.3.3 CMAC 反馈线性化控制器 | 第83-84页 |
4.3.4 稳定性分析 | 第84-85页 |
4.3.5 算例 | 第85-87页 |
4.4 空间站舱段转移的姿态控制与动量管理仿真 | 第87-93页 |
4.4.1 空间站舱段转移过程建模 | 第87-91页 |
4.4.2 线性自适应控制 | 第91-92页 |
4.4.3 神经网络反馈线性化控制 | 第92-93页 |
4.5 小结 | 第93-94页 |
第五章 空间站姿态控制与能量存储执行机构特性分析 | 第94-115页 |
5.1 引言 | 第94页 |
5.2 单框架控制力矩陀螺的姿态控制 | 第94-97页 |
5.2.1 奇异性和角动量包络 | 第94-95页 |
5.2.2 奇异点分类 | 第95-96页 |
5.2.3 算例 | 第96-97页 |
5.3 变速控制力矩陀螺的姿态控制与能量存储 | 第97-104页 |
5.3.1 奇异性分析 | 第97-98页 |
5.3.2 角动量包络 | 第98-100页 |
5.3.3 避免奇异的条件 | 第100-101页 |
5.3.4 操纵律 | 第101-104页 |
5.4 飞轮的姿态控制与能量存储 | 第104-109页 |
5.4.1 奇异性分析 | 第104-105页 |
5.4.2 角动量包络 | 第105-109页 |
5.4.3 操纵律 | 第109页 |
5.5 单框架控制力矩陀螺和飞轮混合机构的姿态控制与能量存储 | 第109-112页 |
5.5.1 操纵方程 | 第110页 |
5.5.2 奇异性分析 | 第110页 |
5.5.3 操纵律 | 第110-112页 |
5.6 各类执行机构的对比分析 | 第112-114页 |
5.6.1 奇异性对比 | 第112-113页 |
5.6.2 角动量包络对比 | 第113页 |
5.6.3 特性总结 | 第113-114页 |
5.7 小结 | 第114-115页 |
第六章 考虑动量因素的空间站姿态控制与能量存储 | 第115-144页 |
6.1 引言 | 第115页 |
6.2 考虑动量管理的姿态控制与能量存储一体化控制 | 第115-127页 |
6.2.1 一体化控制框架 | 第115-117页 |
6.2.2 使用飞轮的一体化控制仿真 | 第117-121页 |
6.2.3 使用变速控制力矩陀螺的一体化控制仿真 | 第121-126页 |
6.2.4 性能理论分析 | 第126-127页 |
6.3 考虑动量反馈的姿态控制与能量存储一体化控制 | 第127-132页 |
6.3.1 一体化控制框架 | 第128页 |
6.3.2 稳定性分析 | 第128-129页 |
6.3.3 使用飞轮的一体化控制仿真 | 第129-131页 |
6.3.4 使用变速控制力矩陀螺的一体化控制仿真 | 第131-132页 |
6.4 一体化控制的性能分析 | 第132-133页 |
6.4.1 两种一体化控制的对比 | 第132-133页 |
6.4.2 一体化控制与非一体化控制的对比 | 第133页 |
6.5 我国空间站姿态控制框架构想 | 第133-143页 |
6.5.1 执行机构和任务模式分析 | 第133-134页 |
6.5.2 通用姿态控制框架 | 第134-139页 |
6.5.3 通用姿态控制框架仿真与分析 | 第139-143页 |
6.6 小结 | 第143-144页 |
结束语 | 第144-148页 |
论文主要研究成果 | 第144-146页 |
进一步的工作展望 | 第146-148页 |
致谢 | 第148-149页 |
参考文献 | 第149-159页 |
作者在学期间取得的学术成果 | 第159-160页 |
附录A 拟牛顿迭代法计算步骤 | 第160-161页 |
附录B 使用单框架控制力矩陀螺和姿控/储能飞轮混合机构的仿真结果 | 第161-170页 |
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