欠驱动质量矩飞行器的控制设计方法研究

摘要

质量矩控制技术是近些年来提出的一种新型飞行器控制方式，它通过快速改变飞行器内部可移动质量块的位置来改变飞行器的质心，从而产生控制力矩以达到飞行器快速姿态响应和获得所需过载的目的。而欠驱动系统是指控制输入个数少于系统自由度个数的控制系统，它广泛存在于机器人、航空航天和交通运输等各个领域，由于控制输入的缺失使得欠驱动控制问题成为控制领域具有挑战性的研究热点之一。当质量矩飞行器内部可移动质量块的个数少于需要控制的姿态自由度个数时，该质量矩飞行器的姿态控制系统就是一种典型的欠驱动系统，研究其控制问题不但具有很强的实用价值，而且有助于促进欠驱动系统控制理论的发展。
　　本文以欠驱动系统的能控度分析和控制设计作为理论研究基础，对大气层内欠驱动质量矩飞行器的特征参数优化设计方法和姿态控制设计方法进行了研究。
　　对于大气层内工作的质量矩飞行器，考虑飞行器内部空间的限制，提出一种姿态控制的欠驱动配置方案，该方案采用两个沿直线导轨运动的质量块。通过推导两个质量块运动对转动惯量矩阵和气动力矩的影响，并基于拉格朗日方法建立欠驱动质量矩飞行器姿态控制系统的动力学模型。为了降低特征参数优化设计和姿态控制设计过程中的复杂性，对动力学模型进行简化处理，为后续研究奠定了基础。
　　针对欠驱动系统的能控度分析问题，提出将欠驱动状态的恢复区域作为欠驱动系统能控度分析的度量指标。一方面，考虑了欠驱动系统的控制输入具有幅值限制的条件，通过研究欠驱动系统模型的级数展开形式，提出欠驱动系统时间最优能控度的分析方法。另一方面，考虑了欠驱动系统的控制输入具有能量限制的条件，通过求解欠驱动系统的能量最优控制问题，提出欠驱动系统能量最优能控度的分析方法。
　　基于欠驱动系统的时间最优能控度分析及其指标，提出欠驱动质量矩飞行器特征参数的优化设计方法。将质量块位置输入有界情况下欠驱动自由度方向上姿态角的恢复区域定义为欠驱动质量矩飞行器的能控度指标，并将该能控度指标作为优化设计的目标函数，建立能控度指标与特征参数之间的函数关系。基于静稳定性分析、质量块功率限制和滚转角与俯仰角机动能力分析，提出欠驱动质量矩飞行器特征参数优化设计时需要满足的约束条件。在此基础上，提出欠驱动质量矩飞行器特征参数优化设计方法的具体步骤。仿真验证特征参数优化设计方法的有效性。
　　基于欠驱动系统的无源化控制设计思想，提出欠驱动质量矩飞行器的姿态控制设计方法。通过研究欠驱动系统的无源化控制方法，设计得到在平衡点处的渐近稳定控制规律。为了保证欠驱动系统反馈控制规律的存在性，给出了选择Lyapunov函数时需要满足的匹配条件。由于该匹配条件是难于求解的非线性偏微分方程，进一步研究了匹配条件的简化和求解方法。基于无源化控制提出欠驱动质量矩飞行器姿态控制设计方法，为了满足求解匹配条件解析解过程中的假设条件，对姿态控制模型进行部分反馈线性化处理，并基于求解匹配条件得到姿态系统的无源化控制规律。仿真验证姿态控制设计方法的有效性。
　　将特征参数优化方法和姿态控制设计方法应用到大气层内某型欠驱动质量矩飞行器的姿态控制设计中。通过分析欠驱动质量矩飞行器的机动方式，提出欠驱动质量矩飞行器姿态控制系统的性能指标要求，在此基础上，基于特征参数优化设计方法得到最优特征参数值。然后，基于以攻角、侧滑角和滚转角作为状态变量的数学模型，应用无源化控制方法设计姿态控制规律，使得攻角、滚转角跟踪期望的指令值，侧滑角保持在零值附近；最后，在闭环情况下仿真验证特征参数优化设计的有效性，并在考虑干扰力矩、质量块动态特性和气动参数摄动的情况下分别验证姿态控制设计的有效性。

目录

欠驱动质量矩飞行器的控制设计方法研究

RESEARCH ON CONTROL DESIGNMETHOD OF UNDERACTUATED MASSMOMENT SPACECRAFT

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 质量矩飞行器的研究现状

1.2.2 欠驱动控制系统的研究现状

1.2.3 欠驱动质量矩飞行器的控制设计问题

1.3 论文的主要研究内容及章节安排

第 2 章 欠驱动质量矩飞行器数学模型建立

2.1 引言

2.2 欠驱动系统的数学模型及分析

2.2.1 欠驱动系统数学模型

2.2.2 欠驱动特性分析

2.3 质量矩飞行器动力学模型的建立

2.3.1 坐标系的定义及其转化关系

2.3.2 基于拉格朗日方法的动力学模型建立

2.4 欠驱动质量矩飞行器动力学模型的建立

2.4.1 质量矩飞行器的欠驱动配置方案

2.4.2 欠驱动质量矩飞行器的动力学模型

2.4.3 欠驱动质量矩飞行器动力学模型的简化

2.5 本章小结

第 3 章 欠驱动系统的能控度分析

3.1 引言

3.2 欠驱动系统的能控性分析

3.2.1 能控性李代数秩条件

3.2.2 基于李代数秩条件的欠驱动系统能控性分析

3.2.3 欠驱动系统能控性分析的简化条件

3.3 欠驱动系统时间最优能控度分析

3.3.1 时间最优能控度指标

3.3.2 欠驱动系统的级数展开形式

3.3.3 基于级数展开的欠驱动系统时间最优能控度分析

3.4 欠驱动系统能量最优能控度分析

3.4.1 能量最优能控度指标

3.4.2 欠驱动系统能量最优能控度分析

3.5 本章小结

第 4 章 欠驱动质量矩飞行器特征参数优化设计方法

4.1 引言

4.2 欠驱动质量矩飞行器的能控度分析

4.2.1 欠驱动质量矩飞行器的级数展开形式

4.2.2 欠驱动质量矩飞行器的时间最优能控度分析

4.3 欠驱动质量矩飞行器的特征参数分析

4.3.1 基于静稳定性的特征参数分析

4.3.2 基于功率限制的特征参数分析

4.3.3 基于机动能力的特征参数分析

4.4 欠驱动质量矩飞行器特征参数优化设计方法

4.4.1 基于时间最优能控度的优化问题描述

4.4.2 特征参数优化设计方法

4.4.3 仿真算例

4.5 本章小结

第 5 章 欠驱动质量矩飞行器姿态控制设计方法

5.1 引言

5.2 无源化控制方法

5.2.1 无源化条件

5.2.2 基于Lyapunov函数的无源化控制方法

5.3 欠驱动系统的无源化控制方法

5.3.1 平衡点特性分析

5.3.2 基于Lyapunov函数的欠驱动系统控制设计方法

5.3.3 控制律参数的匹配条件及其求解

5.3.4 欠驱动系统稳定性分析

5.4 基于无源化的欠驱动质量矩飞行器姿态控制设计方法

5.4.1 姿态控制设计方法

5.4.2 姿态控制系统稳定性分析

5.5 仿真分析

5.6 本章小结

第 6 章 某型欠驱动质量矩飞行器的控制设计

6.1 引言

6.2 姿态控制系统设计要求

6.3 特征参数优化设计

6.3.1 特征参数优化条件

6.3.2 基于能控度的特征参数优化设计

6.4 姿态控制律设计

6.4.1 基于无源化的姿态控制律设计

6.4.2 姿态控制律匹配条件求解

6.5 仿真分析

6.5.1 理想情况下姿态控制仿真分析

6.5.2 特征参数对姿态控制的影响

6.5.3 干扰力矩对姿态控制的影响

6.5.4 质量块位置动态特性对姿态控制的影响

6.5.5 气动参数摄动对姿态控制的影响

6.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士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