帶有非完整約束的欠驅動航天器控制方法研究.pdf

1、欠驅動航天器是指姿態(tài)控制系統(tǒng)中執(zhí)行機構是非完整配置的航天器,在這種情況下執(zhí)行機構不能夠提供獨立的三軸控制輸入力矩。研究欠驅動航天器的控制問題對于提高系統(tǒng)的可靠性極為重要,而且作為一種應急控制手段,針對欠驅動航天器的研究有助于最終實現(xiàn)航天器的在軌自主運行。另一方面,通過對欠驅動航天器這一典型欠驅動機械系統(tǒng)運動特性和控制方法的深入分析,可以更充分地了解一般欠驅動系統(tǒng)的本質,為探索復雜非線性系統(tǒng)的運動控制提供思路和方法。本論文以僅有兩軸獨立控

2、制輸入力矩的欠驅動航天器為研究對象,從理論和應用兩方面對其基本性質、姿態(tài)機動規(guī)劃、姿態(tài)軌跡跟蹤、姿態(tài)穩(wěn)定等方面展開了深入的研究,主要內容包括以下幾個方面:
　　基于歐拉姿態(tài)角描述參數(shù)及歐拉定理建立了欠驅動航天器的運動學模型及動力學模型,并采用微分幾何方法,對欠驅動航天器的非完整性、穩(wěn)定性及能控性進行了理論分析,為后續(xù)控制算法的分析和設計奠定基礎。
　　針對欠驅動航天器存在二階非完整約束的特點,設計了姿態(tài)機動規(guī)劃算法。首先,考

3、慮軸對稱的特殊情形,利用系統(tǒng)微分平滑特性,提出了滿足系統(tǒng)動態(tài)方程約束的可行軌跡生成算法,該算法對于系統(tǒng)微弱的非軸對稱性具有魯棒性。其次,以一般欠驅動航天器為研究對象,考慮執(zhí)行機構輸出受限的情況,基于Legendre偽譜法設計了時間最優(yōu)姿態(tài)機動規(guī)劃算法,并通過引入松弛因子,保證了最優(yōu)控制問題解的存在性。再次,利用粒子群優(yōu)化算法初值選取的隨機性,提出粒子群初值生成器,為上述算法提供了良好的初始猜測值,同時提高了算法的搜索速度及全局搜索能力。

4、最后,改進全局 Legendre偽譜法,通過在Bang-Bang控制輸入變化劇烈的切換點處增加配置點,提高了偽譜法的計算精度,并改善了控制輸入離散點間的超限情況,保證了算法的可行性。
　　針對開環(huán)參考軌跡,采用實時重規(guī)劃的方式設計了欠驅動航天器閉環(huán)反饋軌跡跟蹤控制器。首先,考慮存在較小初始擾動的情況,通過在參考軌跡上線性化系統(tǒng)的運動方程,將軌跡跟蹤問題轉換為時變線性系統(tǒng)的姿態(tài)調節(jié)問題,并利用間接偽譜法將每次重規(guī)劃的兩點邊值問題轉換

5、為線性代數(shù)方程組求解。該算法能夠較好地跟蹤參考軌跡,且對初始擾動具有抑制作用,同時由于得到的最優(yōu)控制輸入具有解析的形式,保證了運算的實時性。其次,考慮執(zhí)行機構輸出受限且系統(tǒng)存在外界擾動的情況,采用直接偽譜法并擴展欠驅動航天器的平滑特性,通過實時重規(guī)劃得到閉環(huán)軌跡跟蹤控制器。仿真結果表明,該算法能夠有效地抑制外界擾動對于開環(huán)參考軌跡的不利影響,而且在跟蹤參考軌跡的同時,還能夠進一步優(yōu)化期望的性能指標。
　　基于無窮時域重規(guī)劃策略設計

6、了欠驅動航天器的閉環(huán)姿態(tài)穩(wěn)定控制器。首先,引入適當?shù)臅r域變換,將無窮最優(yōu)控制問題轉換為有限半開時域上的優(yōu)化問題,并在執(zhí)行機構輸出受限的情況下,采用Legendre-Gauss-Radau(LGR)偽譜法設計開環(huán)姿態(tài)穩(wěn)定控制算法。其次,考慮欠驅動航天器存在外界擾動的情況,根據(jù)采樣周期選取方式的不同提出了兩種閉環(huán)姿態(tài)穩(wěn)定控制算法。第一種算法以每次重規(guī)劃的計算時延為采樣周期,最大程度地降低了計算時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。第二種算法以固定時長為采