返回囊绳系辅助系统的展开动力学与控制研究

摘要

绳系辅助返回技术是近年来新兴的一种空间有效载荷返回技术，在未来空间平台及空间站等方面具有广阔的应用前景。返回囊绳系辅助系统的展开控制极大地影响及决定绳系辅助返回任务的成败，因而返回囊绳系辅助系统的展开动力学与控制问题成为了绳系辅助返回技术研究及应用的关键点。本学位论文以返回囊绳系辅助系统为背景，对复杂情况下的返回囊绳系辅助系统的展开动力学与控制问题进行深入的研究，具体工作如下：
　　针对大型的近地轨道的绳系辅助返回任务，考虑了系绳柔性因素和有质量分布，首先基于微元法建立柔性返回囊绳系辅助系统的位置矢量方程和运动平衡方程，进而基于拉格朗日方程建立无摄动下的柔性返回囊绳系辅助系统的展开动力学模型；然后在此基础上，基于牛顿欧拉法建立了J2项摄动和大气阻力摄动下的柔性返回囊绳系辅助系统的展开动力学模型。
　　为解决柔性返回囊绳系辅助系统展开动力学方程复杂非线性、非自治强耦合且难以求解的问题，基于伽辽金数值解法对动力学方程进行离散化求解，为进一步的理论分析及仿真验证等提供理论依据。引入了经典的“珠子模型”，以验证动力学建模及求解的准确性；最后通过数学仿真进行验证和分析，验证动力学建模及伽辽金法的解的正确性和收敛性。
　　基于伽辽金数值解法的求解结果，以具有代表性的二阶伽辽金法求解结果为研究对象，基于Lyapunov稳定性理论和大系统的稳定理论来分析和确定柔性返回囊绳系辅助系统的展开稳定性和稳定域；并在此基础上，基于二阶系统的阶跃响应函数分析稳定条件下的柔性返回囊绳系辅助系统的展开动力学特性；最后基于相平面分析的方法，通过数学仿真手段对柔性返回囊绳系辅助系统的展开的稳定性和稳定域进行了验证，并对系统的展开动力学特性进行了数学仿真验证。
　　针对柔性模型存在复杂的非线性——不利于展开控制问题，基于拉格朗日方程建立J2项摄动和大气阻力摄动下的刚性返回囊绳系辅助系统的展开动力学模型，并通过数学仿真手段与柔性模型进行比较分析；基于上述研究成果，对刚性模型进行修正，并针对修正后的模型进行展开释放控制律设计，且分析展开控制的稳定性问题；同时基于修正后的模型，研究大气阻力摄动下的返回囊绳系辅助系统的相对姿态控制问题。

目录

返回囊绳系辅助系统展开动力学与控制研究

Research on the Deployment Dynamics and Control Tether-assisted Capsule System

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 课题的研究目的和意义

1.2 国内外研究现状及文献综述

1.2.1 绳系技术发展概况

1.2.2 返回囊绳系辅助系统的展开控制系统

1.2.3 绳系系统的运动学和动力学研究

1.2.4 绳系系统的展开控制研究

1.2.5 有偏置情况下的绳系系统的动力学及相对姿态控制研究

1.2.6 复杂动力学方程的数值解法研究

1.3 本论文的主要研究内容

第2章 相关理论基础

2.1 引言

2.2 返回囊绳系辅助系统的概念及基本原理

2.3 返回囊绳系辅助系统的相关运动描述

2.3.1 建模基本假设

2.3.2 基本坐标系

2.3.3 返回囊绳系辅助系统基本运动方程

2.4 伽辽金数值解法原理

2.5 大系统的稳定理论

2.6 本章小结

第3章 柔性返回囊绳系辅助系统展开动力学建模研究

3.1 引言

3.2 基于拉格朗日方程柔性返回囊绳系辅助系统展开动力学建模

3.2.1 建模假设及相关坐标系定义

3.2.2 无摄动的展开动力学建模

3.3 基于牛顿欧拉法摄动下柔性返回囊绳系辅助系统的展开动力学建模

3.3.1 建模假设

3.3.2 摄动下的展开动力学建模

3.4 本章小结

第4章 基于伽辽金法的柔性绳系系统展开动力学解算

4.1 引言

4.2 基于伽辽金法的数值求解

4.2.1 基本求解方法及过程

4.2.2 无摄动展开动力学模型的求解

4.2.3 摄动下展开动力学模型的求解

4.3 柔性返回囊绳系辅助系统展开动力学“珠子模型”

4.4 数学仿真验证及分析

4.4.1 仿真初始条件

4.4.2 仿真结果及分析

4.5 本章小结

第5章 基于Lyapunov理论的展开稳定性分析

5.1 引言

5.2 模型的简化

5.3 柔性返回囊绳系辅助系统的展开稳定性分析

5.3.1 柔性返回囊绳系辅助系统的纵向运动的稳定性分析

5.3.2 柔性返回囊绳系辅助系统的横向运动的稳定性分析

5.4 柔性返回囊绳系辅助系统的展开动力学特性分析

5.4.1 稳定条件下柔性返回囊绳系辅助系统的展开动力学模型简化

5.4.2 单位阶跃激振的响应函数

5.4.3 基于二阶阶跃响应的柔性返回囊绳系辅助系统的展开动力学特性分析

5.5 数学仿真验证及分析

5.5.1 柔性返回囊绳系辅助系统的展开稳定性的数学仿真验证

5.5.2 柔性返回囊绳系辅助系统的展开特性的数学仿真验证

5.6 本章小结

第6章 返回囊绳系辅助系统的展开控制研究

6.1 引言

6.2 摄动下的刚性返回囊绳系辅助系统的展开动力学

6.2.1 基于拉格朗日方程的展开动力学建模

6.2.2 数学仿真验证及分析

6.3 返回囊绳系辅助系统的展开释放控制

6.3.1 刚性返回囊绳系辅助系统的展开动力学模型修正

6.3.2 返回囊绳系辅助系统的展开释放控制

6.4 大气阻力摄动下返回囊绳系辅助系统的相对姿态控制研究

6.4.1 动力学模型

6.4.2 相对姿态控制系统设计

6.4.3 数学仿真验证及分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

附录

附录A 动力学模型的部分数学推导过程

附录B 函数的正交性

附录C 伽辽金法的求解

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历