橢圓軌道飛行器交會(huì)對(duì)接若干控制問題的研究.pdf

1、飛行器交會(huì)對(duì)接是航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。許多不同種類的航天任務(wù)，如:航天飛行器的在軌組裝、空間平臺(tái)的補(bǔ)給、宇航員訪問載人航天器等，都依賴于飛行器之間交會(huì)對(duì)接的成功實(shí)現(xiàn)。目前，針對(duì)橢圓軌道下非合作目標(biāo)的交會(huì)對(duì)接依舊是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。本文以橢圓軌道飛行器的交會(huì)對(duì)接為背景，研究了在橢圓軌道下飛行器的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)的問題，主要內(nèi)容包括:
　　首先，研究了橢圓軌道飛行器相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)控制的魯棒鎮(zhèn)定問題?；诿枋鰴E圓軌道交會(huì)對(duì)接的Law

2、den方程和輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性(ISS)控制理論，設(shè)計(jì)了一種使飛行器相對(duì)距離和相對(duì)速度對(duì)于擾動(dòng)加速度具有ISS的控制律。理論分析表明在該控制律的作用下，通過調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)常數(shù)，可以使飛行器相對(duì)距離和相對(duì)速度收斂到零點(diǎn)附近任意小的鄰域內(nèi)?？紤]到控制器設(shè)計(jì)過程涉及到目標(biāo)飛行器的軌道參數(shù)，如:軌道角速度、軌道角加速度等，這些參數(shù)一般是難以實(shí)時(shí)檢測(cè)的。因此，我們引進(jìn)了實(shí)用輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性(ISpS)的概念，并設(shè)計(jì)了不依賴于這些時(shí)變參數(shù)，同時(shí)可以使飛行器

3、相對(duì)運(yùn)動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)滿足ISpS的控制律。理論分析和仿真算例都表明所給出控制方案是有效的。
　　其次，研究了橢圓軌道飛行器相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)的輸入飽和控制問題。采用基于死區(qū)算子的飽和模型描述飛行器交會(huì)系統(tǒng)的輸入飽和現(xiàn)象，分別運(yùn)用ISS和ISpS理論，給出了既能夠抑制控制輸入飽和的約束，又能抑制擾動(dòng)加速度干擾的抗飽和魯棒控制器。所設(shè)計(jì)的抗飽和控制器不依賴于目標(biāo)飛行器軌道參數(shù)的實(shí)時(shí)信息。
　　隨后，以逆最優(yōu)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)方法，討論了橢圓軌道飛

4、行器交會(huì)對(duì)接的相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)控制問題。針對(duì)不包含擾動(dòng)加速度的Lawden方程，設(shè)計(jì)了使飛行器相對(duì)距離和相對(duì)速度具有逆最優(yōu)穩(wěn)定性質(zhì)的控制器。在所設(shè)計(jì)的逆最優(yōu)控制器作用之下，閉環(huán)系統(tǒng)不但是漸近穩(wěn)定的，而且其相對(duì)于某個(gè)包含飛行器的相對(duì)距離和相對(duì)速度以及控制加速度的性能指標(biāo)是最優(yōu)的。之后討論了具有擾動(dòng)加速度的交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)的逆最優(yōu)設(shè)計(jì)問題，并給出了不但具有逆最優(yōu)性質(zhì)，而且滿足ISS的控制設(shè)計(jì)方案。
　　然后，討論了橢圓軌道飛行器交會(huì)對(duì)接的采樣

5、控制問題。交會(huì)對(duì)接的實(shí)際控制過程可以看成是一個(gè)采樣控制的過程?；贚awden方程的精確且未知的離散時(shí)間采樣模型，給出了使得離散的閉環(huán)系統(tǒng)具有半全局實(shí)用漸近穩(wěn)定性(SPA)的控制設(shè)計(jì)方案。
　　最后，討論了橢圓軌道飛行器交會(huì)對(duì)接過程中的姿態(tài)控制問題。將交會(huì)對(duì)接過程中的飛行器姿態(tài)控制，描述成對(duì)某個(gè)特定的姿態(tài)機(jī)動(dòng)的跟蹤。在考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性不確定誤差的情況下，給出了姿態(tài)跟蹤誤差漸近趨于零點(diǎn)的魯棒控制方案。仿真算例驗(yàn)證了所提出的控制方法