考慮力矩陀螺奇異與飽和的空間站姿態(tài)機動控制策略與路徑規(guī)劃.pdf

1、零燃料姿態(tài)機動是新近在國際空間站得到應用的先進姿態(tài)機動控制概念，該技術能夠有效減少空間站的燃料消耗、延長在軌壽命、提高安全性。本文以我國空間站工程任務為背景，較為系統(tǒng)地研究了采用單框架控制力矩陀螺的空間站姿態(tài)機動問題中的機理分析、控制律設計、操縱律設計、路徑規(guī)劃與驗證方案設計等方面的問題。全文主要研究成果如下：
　　開展了空間站零燃料姿態(tài)機動的機理分析。1）采用優(yōu)化算法求解了力矩陀螺的角動量幅值的極值，分析了典型構形力矩陀螺角動量

2、包絡面的分布規(guī)律；2）推導了角動量奇異狀態(tài)方程，分析了典型構形單框架力矩陀螺顯奇異面與隱奇異面的分布規(guī)律；3）建立了空間站本體與力矩陀螺之間的動量矩守恒的關系，推導了姿態(tài)機動路徑的存在性條件，該存在性條件不需進行繁瑣的計算，根據(jù)空間站慣量張量與力矩陀螺參數(shù)的解析關系可直接判定姿態(tài)機動路徑的存在性，該存在性條件可為零燃料姿態(tài)機動技術在我國未來空間站的實施提供重要的理論依據(jù)。
　　提出了基于人工勢函數(shù)的力矩陀螺避飽和控制律。1）對人工

3、勢函數(shù)進行了構造，包括用于表征當前姿態(tài)與目標姿態(tài)之間距離的吸引勢函數(shù)，以及用于表征力矩陀螺飽和程度的排斥勢函數(shù)；2）基于所構造的人工勢函數(shù)，針對穩(wěn)定與不穩(wěn)定平衡姿態(tài)，構造了李雅普諾夫函數(shù)并推導了能夠?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)機動與力矩陀螺避飽和的一體化控制律；3）仿真結果表明，所設計的控制律實現(xiàn)了空間站本體姿態(tài)與陀螺角動量的協(xié)同控制，一方面趨使空間站完成機動任務，另一方面避免了陀螺的飽和，為解決空間站大角度姿態(tài)機動中的陀螺飽和問題提供了有效的方法。

4、>　　提出了基于顯隱奇異函數(shù)的力矩陀螺操縱律。1）對力矩陀螺的顯隱奇異函數(shù)進行了構造，所構造的顯隱奇異函數(shù)能夠有效區(qū)分顯奇異點與隱奇異點，并能提前預知奇異狀態(tài)；2）基于顯隱奇異函數(shù)，構造了力矩陀螺自適應操縱律，該操縱律不僅能夠有效脫離顯奇異狀態(tài)，而且能夠在脫離隱奇異狀態(tài)時不引入力矩偏差，同時具備了零運動操縱律與魯棒操縱律的優(yōu)點；3）考慮姿態(tài)機動過程中可能出現(xiàn)的部分陀螺失效，設計了失效響應操縱律，該操縱律能夠及時檢測力矩陀螺的失效信息，并

5、將該信息反饋給操縱律，從而調(diào)整操縱律的內(nèi)部參數(shù)，實現(xiàn)操縱律自適應調(diào)整。
　　研究了考慮力矩陀螺奇異與飽和特性的姿態(tài)機動路徑規(guī)劃。1）構建了路徑規(guī)劃問題的性能指標，包括飽和性能指標與奇異性能指標；2）建立了零燃料姿態(tài)機動路徑規(guī)劃單目標優(yōu)化模型，構造了混合求解策略，該求解策略可以兼顧求解效率與求解精度，能夠求解滿足力矩陀螺奇異與飽和約束的姿態(tài)機動路徑；3）構建了路徑規(guī)劃多目標優(yōu)化模型，求解了路徑規(guī)劃的多目標優(yōu)化問題，該策略可根據(jù)工程實

6、際偏好需求，規(guī)劃出滿足不同工程實際需求的姿態(tài)機動路徑，為考慮工程實際約束和反映不同偏好需求的空間站姿態(tài)機動任務提供了有效的模型與技術支持。
　　設計了基于相似性原理的姿態(tài)機動地面試驗系統(tǒng)方案。1）依據(jù)相似性原理，提出了空間站零燃料姿態(tài)控制問題地面試驗系統(tǒng)的設計方法，推導了系統(tǒng)的相似準則；2）設計了地面試驗相似系統(tǒng)，依據(jù)相似準則對地面試驗系統(tǒng)的各分系統(tǒng)開展了相似性設計，并對地面試驗系統(tǒng)星載算法的相似性參數(shù)進行了確定；3）仿真結果驗證

7、了相似系統(tǒng)設計的正確性，相似系統(tǒng)仿真的所有數(shù)據(jù)均與原型系統(tǒng)成比例關系，相似系統(tǒng)可大大節(jié)省姿態(tài)機動地面試驗的時間消耗，為采用力矩陀螺的空間站姿態(tài)控制技術的地面驗證提供了有效的技術途徑。
　　論文緊密結合我國空間站工程實際，研究了采用單框架力矩陀螺的姿態(tài)機動問題，研究成果可以為我國未來空間站的在軌運行與空間操作提供技術支持，具有較重要的工程實踐價值。同時，論文從工程問題中所提煉的姿態(tài)動力學問題特性、提出的控制策略、構造的規(guī)劃算法，設計