繩系衛(wèi)星釋放和回收的動(dòng)力學(xué)控制.pdf

1、繩系衛(wèi)星系統(tǒng)是指采用細(xì)長(zhǎng)系繩將兩個(gè)或多個(gè)人造衛(wèi)星連在一起飛行的組合體。繩系衛(wèi)星是一項(xiàng)頗具發(fā)展前景的技術(shù)，有可能促成太空探索及開發(fā)領(lǐng)域的一次技術(shù)革命。然而，即便結(jié)構(gòu)形式最簡(jiǎn)單的繩系衛(wèi)星系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)及控制問題也非常復(fù)雜。由于系繩具有阻尼小、柔性大的特點(diǎn)，當(dāng)它被置于空間環(huán)境并與衛(wèi)星耦合時(shí)極易產(chǎn)生一系列復(fù)雜的天平動(dòng)及振動(dòng)。在繩系衛(wèi)星釋放及回收過程中，系繩長(zhǎng)度的變化引起Coriolis加速度，可能導(dǎo)致系繩出現(xiàn)大幅擺動(dòng)及振動(dòng)。若不施加控制，系繩內(nèi)

2、的動(dòng)應(yīng)力幅值可能會(huì)超過材料的強(qiáng)度極限，導(dǎo)致系統(tǒng)失效。
　　 本文考慮繩系衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用中最關(guān)鍵的釋放和回收環(huán)節(jié)，研究其相關(guān)動(dòng)力學(xué)與控制問題。論文的主要研究?jī)?nèi)容和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)如下：
　　 1.研究非線性最優(yōu)控制問題的Legendre-Gauss-Lobatto (LGL)偽譜法，提出并證明Bolza型最優(yōu)控制問題的直接二階LGL偽譜法的協(xié)態(tài)映射關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，采用C++語言編寫通用非線性最優(yōu)控制程序包，并通過加入符號(hào)數(shù)學(xué)預(yù)處理

3、器和利用矩陣稀疏結(jié)構(gòu)，大大提高了計(jì)算效率。
　　 2.針對(duì)繩系衛(wèi)星釋放過程的固定及非固定時(shí)間區(qū)間軌道優(yōu)化問題，提出基于二階微分包含的控制律設(shè)計(jì)方法，使得優(yōu)化變量數(shù)及約束數(shù)顯著減少?？紤]傾斜軌道上電動(dòng)力繩系衛(wèi)星的回收過程和軌道面內(nèi)三體繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的釋放過程，分別研究其非線性最優(yōu)控制問題。利用LGL偽譜法將上述連續(xù)時(shí)間最優(yōu)控制問題離散后，通過非線性規(guī)劃方法進(jìn)行求解。
　　 3.針對(duì)擾動(dòng)影響下的繩系衛(wèi)星釋放控制問題，基于直接軌

4、道產(chǎn)生方法設(shè)計(jì)反饋控制器，提出一種在線網(wǎng)格調(diào)整算法，使得計(jì)算時(shí)間大幅減少。考慮傾斜軌道上電動(dòng)力繩系衛(wèi)星回收控制問題，設(shè)計(jì)非線性模型預(yù)測(cè)控制器，并采用多體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)控制性能進(jìn)行檢驗(yàn)。
　　 4.通過時(shí)間尺度變換，研究繩系衛(wèi)星回收過程的無限時(shí)域最優(yōu)控制問題，分別利用兩種Legendre-Gauss-Radau (LGR)偽譜法進(jìn)行離散求解，并通過實(shí)時(shí)軌道產(chǎn)生方法初步設(shè)計(jì)了反饋控制器。
　　 5.利用氣浮裝置和噴管來模擬繩系