三轴稳定卫星姿态机动的时间最优控制

摘要

科技高度发展,人类航天技术不断进步的今天,卫星已经深入的应用到我们生活中的各个领域。在卫星执行灾难预警、科学探测以及军事应用等任务时,经常要求卫星姿态控制系统提供适当的控制力矩,使得卫星在最短的时间内从当前姿态机动到给定期望姿态,这是一个典型的最优控制问题,但由于卫星动力学和运动学方程的非线性及耦合,使得采用传统方法求解十分困难。针对这一问题,本文做了深入的研究与系统的仿真验证。
　　首先,在卫星姿态诸多描述方法中,选择了不存在奇异问题并且便于数值算法求解的修正罗德里格参数法描述卫星的姿态运动,给出了三轴稳定卫星姿态机动时间最优控制问题的完整数学描述。针对三轴稳定卫星姿态机动时间最优控制问题无法采用传统的变分法或极小值原理求解的问题,分别采用两种数值解法,给出了时间最优姿态机动问题的数值解。一种是直接离散化后采用遗传算法求解,一种是Gauss伪谱法求解,对两种解法都进行了数值求解和验证,并对结果进行了分析,说明了时间最优解的特性。
　　其次,将两种最优控制解法与卫星工程实际联系起来,针对在卫星工程实际中可能存在的角速度约束与角度约束情况,求解得到了满足状态约束的最优控制。其中,重点研究了在卫星执行机构存在冗余的情况下,对时间最优控制的求解带来的影响,通过改写卫星姿态运动方程,成功求解得到了几种典型执行机构构型情况下,卫星姿态机动时间最优控制的最优控制及最优轨迹,结果表明,在多执行机构复杂的力矩空间约束下,时间最优控制在力矩空间顶点之间切换。
　　最后,考虑卫星工程环境中可能存在的常值干扰和周期干扰,建立了三轴稳定卫星误差姿态的误差动力学方程,以及误差运动学方程。根据误差方程设计了最优轨迹跟踪控制器,采用滑模变结构控制方法推导出了修正控制律,并在simulink中仿真给出了不加修正控制律和添加修正控制律的不同仿真结果,验证了闭环控制律在最优轨迹跟踪上的有效性。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及意义

1.2 三轴稳定卫星的姿态控制组成

1.3 最优控制问题的国内外研究现状

1.4 本论文主要内容

第2章 卫星动力学模型及相关基础知识

2.1 引言

2.2 卫星姿态机动时间最优控制问题的数学描述

2.3 遗传算法简介

2.4 伪谱法的数值逼近原理简介

2.5 本章小结

第3章 三轴稳定卫星姿态机动时间最优控制的求解

3.1 引言

3.2 直接离散化法求解卫星姿态机动时间最优控制问题

3.3 基于Gauss伪谱法求解卫星姿态机动时间最优控制问题

3.4 带有状态约束的姿态机动时间最优控制问题

3.5 本章小结

第4章 考虑执行机构构型的卫星姿态机动时间最优控制

4.1 引言

4.2 执行机构构型对最优控制问题求解的影响

4.3 几种典型构型结构下时间最优机动问题的求解

4.4 最优轨迹的跟踪控制及仿真验证

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢