帶有非完整約束的欠驅(qū)動(dòng)航天器控制方法研究.pdf

1、欠驅(qū)動(dòng)航天器是指姿態(tài)控制系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)是非完整配置的航天器,在這種情況下執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能夠提供獨(dú)立的三軸控制輸入力矩。研究欠驅(qū)動(dòng)航天器的控制問(wèn)題對(duì)于提高系統(tǒng)的可靠性極為重要,而且作為一種應(yīng)急控制手段,針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)航天器的研究有助于最終實(shí)現(xiàn)航天器的在軌自主運(yùn)行。另一方面,通過(guò)對(duì)欠驅(qū)動(dòng)航天器這一典型欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性和控制方法的深入分析,可以更充分地了解一般欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的本質(zhì),為探索復(fù)雜非線性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制提供思路和方法。本論文以?xún)H有兩軸獨(dú)立控

2、制輸入力矩的欠驅(qū)動(dòng)航天器為研究對(duì)象,從理論和應(yīng)用兩方面對(duì)其基本性質(zhì)、姿態(tài)機(jī)動(dòng)規(guī)劃、姿態(tài)軌跡跟蹤、姿態(tài)穩(wěn)定等方面展開(kāi)了深入的研究,主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)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(qū)動(dòng)航天器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及動(dòng)力學(xué)模型,并采用微分幾何方法,對(duì)欠驅(qū)動(dòng)航天器的非完整性、穩(wěn)定性及能控性進(jìn)行了理論分析,為后續(xù)控制算法的分析和設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
　　針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)航天器存在二階非完整約束的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了姿態(tài)機(jī)動(dòng)規(guī)劃算法。首先,考

3、慮軸對(duì)稱(chēng)的特殊情形,利用系統(tǒng)微分平滑特性,提出了滿(mǎn)足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程約束的可行軌跡生成算法,該算法對(duì)于系統(tǒng)微弱的非軸對(duì)稱(chēng)性具有魯棒性。其次,以一般欠驅(qū)動(dòng)航天器為研究對(duì)象,考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出受限的情況,基于Legendre偽譜法設(shè)計(jì)了時(shí)間最優(yōu)姿態(tài)機(jī)動(dòng)規(guī)劃算法,并通過(guò)引入松弛因子,保證了最優(yōu)控制問(wèn)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(jī)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(cè)值,同時(shí)提高了算法的搜索速度及全局搜索能力。

4、最后,改進(jìn)全局 Legendre偽譜法,通過(guò)在Bang-Bang控制輸入變化劇烈的切換點(diǎn)處增加配置點(diǎn),提高了偽譜法的計(jì)算精度,并改善了控制輸入離散點(diǎn)間的超限情況,保證了算法的可行性。
　　針對(duì)開(kāi)環(huán)參考軌跡,采用實(shí)時(shí)重規(guī)劃的方式設(shè)計(jì)了欠驅(qū)動(dòng)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(dòng)的情況,通過(guò)在參考軌跡上線性化系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程,將軌跡跟蹤問(wèn)題轉(zhuǎn)換為時(shí)變線性系統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)節(jié)問(wèn)題,并利用間接偽譜法將每次重規(guī)劃的兩點(diǎn)邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)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(duì)初始擾動(dòng)具有抑制作用,同時(shí)由于得到的最優(yōu)控制輸入具有解析的形式,保證了運(yùn)算的實(shí)時(shí)性。其次,考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出受限且系統(tǒng)存在外界擾動(dòng)的情況,采用直接偽譜法并擴(kuò)展欠驅(qū)動(dòng)航天器的平滑特性,通過(guò)實(shí)時(shí)重規(guī)劃得到閉環(huán)軌跡跟蹤控制器。仿真結(jié)果表明,該算法能夠有效地抑制外界擾動(dòng)對(duì)于開(kāi)環(huán)參考軌跡的不利影響,而且在跟蹤參考軌跡的同時(shí),還能夠進(jìn)一步優(yōu)化期望的性能指標(biāo)。
　　基于無(wú)窮時(shí)域重規(guī)劃策略設(shè)計(jì)

6、了欠驅(qū)動(dòng)航天器的閉環(huán)姿態(tài)穩(wěn)定控制器。首先,引入適當(dāng)?shù)臅r(shí)域變換,將無(wú)窮最優(yōu)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)換為有限半開(kāi)時(shí)域上的優(yōu)化問(wèn)題,并在執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出受限的情況下,采用Legendre-Gauss-Radau(LGR)偽譜法設(shè)計(jì)開(kāi)環(huán)姿態(tài)穩(wěn)定控制算法。其次,考慮欠驅(qū)動(dòng)航天器存在外界擾動(dòng)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(jì)算時(shí)延為采樣周期,最大程度地降低了計(jì)算時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。第二種算法以固定時(shí)長(zhǎng)為采