航天器姿軌一體化建模與協(xié)同控制.pdf

1、隨著航天技術(shù)的成熟和發(fā)展，空間任務(wù)趨于復(fù)雜，對航天器軌道和姿態(tài)的動力學(xué)建模和控制要求提出了更高的要求。此外，姿態(tài)運動和軌道運動之間的耦合影響、外界干擾和模型不確定性的存在使航天器姿軌一體化動力學(xué)建模和控制問題更加復(fù)雜化。在此背景下，本文研究了基于對偶四元數(shù)的航天器姿軌一體化動力學(xué)建模及有限時間控制問題。主要完成了如下幾個方面的工作：
　　利用對偶四元數(shù)可以在同一數(shù)學(xué)框架內(nèi)同時描述姿態(tài)運動和軌道運動的優(yōu)勢，研究了基于對偶四元數(shù)的航天

2、器姿軌一體化運動模型。首先利用對偶四元數(shù)以一體化的形式描述航天器的一般性空間運動，建立了單航天器姿軌一體化運動學(xué)和動力學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了航天器相對運動姿軌一體化動力學(xué)和運動學(xué)模型；針對航天器動力學(xué)模型中存在的姿態(tài)軌道耦合問題，進行了姿態(tài)軌道耦合特性分析；并針對存在質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量不確定性的情況，分析動力學(xué)模型中由模型不確定性引起的干擾。針對航天器姿軌一體化跟蹤控制問題，設(shè)計了 PD控制器，并利用 Lyapunov理論證明了系統(tǒng)的漸

3、近收斂。最后進行數(shù)學(xué)仿真驗證動力學(xué)模型的正確性。
　　針對航天器相對運動姿軌一體化控制問題，在建立了剛體航天器姿軌一體化動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，在考慮了存在外部干擾和模型不確定性的情況下，設(shè)計了滑模變結(jié)構(gòu)控制器，并選取合適的Lyapunov函數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析；設(shè)計快速終端滑?？刂破?，實現(xiàn)航天器姿軌一體化有限時間控制；針對控制器產(chǎn)生的奇異問題進行了深入研究，并設(shè)計了非奇異終端滑?？刂破鳎⒗?Lyapunov理論證明整個閉環(huán)系

4、統(tǒng)的全局有限時間收斂。最后對控制器進行數(shù)學(xué)仿真驗證其有效性和可行性。
　　當(dāng)由于空間環(huán)境的復(fù)雜性，而不能獲知外部干擾和模型不確定性的信息時，設(shè)計了兩種自適應(yīng)控制器。第一種是可對模型參數(shù)進行自適應(yīng)辨識的自適應(yīng)滑?？刂破?；第二種是不含模型參數(shù)的魯棒自適應(yīng)控制器。兩種控制器均能保證閉環(huán)系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定，誤差對偶四元數(shù)和對偶旋量誤差可漸近收斂到平衡點，并對外部干擾及模型不確定性具有更強的魯棒性。通過數(shù)學(xué)仿真驗證所設(shè)計控制器的有效性和可行