柔性航天器非線性動(dòng)力學(xué)與控制方法研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號(hào)：TP13:V44學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號(hào)：621:629.783密級(jí)：公開工學(xué)博士學(xué)位論文工學(xué)博士學(xué)位論文柔性航天器非線性動(dòng)力學(xué)與控制方法研究博士研究生：楊正賢導(dǎo)師：孔憲仁教授申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：飛行器設(shè)計(jì)所在單位：衛(wèi)星技術(shù)研究所答辯日期：2011年06月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要I摘要論文以大型柔性航天器為研究對象，考慮柔性航天器中存在的模型不確定性、外界干擾、輸入飽和等不利因素，根據(jù)柔性航天器動(dòng)力

2、學(xué)及控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面，對柔性航天器的非線性剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模、姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)抑制等進(jìn)行了深入研究，主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面的工作：隨著柔性航天器大型化、敏捷化、高精度化的發(fā)展，對動(dòng)力學(xué)模型的精度要求越來越高，傳統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ途窒扌栽絹碓矫黠@。為充分體現(xiàn)柔性體的變形與其大范圍空間運(yùn)動(dòng)之間的相互耦合，建立柔性航天器一次近似剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。通過在梁的變形位移場中計(jì)及在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中忽略的二次耦合項(xiàng)，

3、利用Hamilton原理導(dǎo)出了非線性偏微分形式動(dòng)力學(xué)方程。采用有限元法對方程進(jìn)行離散，得到了包含動(dòng)力剛度項(xiàng)的柔性航天器一次近似剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，并對其適用性進(jìn)行了分析。針對采用強(qiáng)非線性一次近似剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)描述的柔性航天器，在考慮存在模型不確定性和干擾的情況下設(shè)計(jì)魯棒控制器的問題，基于Lyapunov方法分別設(shè)計(jì)了自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)姿態(tài)調(diào)節(jié)控制器、及參考軌跡為時(shí)變信號(hào)的姿態(tài)跟蹤控制器，并證明了姿態(tài)角和角速度誤差的收斂性。設(shè)計(jì)的控制器僅利用輸

4、出信息，從而避免設(shè)計(jì)柔性模態(tài)狀態(tài)觀測器，避免引入狀態(tài)觀測器誤差，仿真結(jié)果驗(yàn)證了其有效性。針對航天器柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主動(dòng)抑制問題，考慮當(dāng)航天器存在大范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)，柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)邊界模態(tài)與定邊界模態(tài)特性的不同，設(shè)計(jì)振動(dòng)抑制延時(shí)控制器。進(jìn)一步考慮當(dāng)存在控制輸入飽和時(shí)，提出了一種內(nèi)閉環(huán)延時(shí)控制方法，將輸入成形器引入到控制內(nèi)閉環(huán)中，使得即使控制力矩輸出飽和也能抑制柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。針對使用噴氣推力器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)抑制問題，提出了一種閉

5、環(huán)開關(guān)序列控制技術(shù)，避免激起柔性附件的持續(xù)振動(dòng)，使得柔性航天器能夠利用噴氣推力器進(jìn)行平穩(wěn)大角度機(jī)動(dòng)。針對一類大范圍運(yùn)動(dòng)的柔性航天器姿態(tài)跟蹤問題，為進(jìn)一步提高跟蹤控制性能，提出了一種自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法。利用在線自學(xué)習(xí)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償系統(tǒng)非線性項(xiàng)及未建模動(dòng)態(tài)，利用變結(jié)構(gòu)項(xiàng)補(bǔ)償神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近誤差及外部干擾?？刂破髦焕米藨B(tài)角和角速度信息進(jìn)行反饋控制，不需要精確知道系統(tǒng)模型及柔性附件的振動(dòng)信息。仿真結(jié)果表明，該方法有效地提高了跟蹤精度，