航天器近距离交会的容错控制研究

发布时间：2017-07-20 19:29

  本文关键词：航天器近距离交会的容错控制研究

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【摘要】：空间任务多样化的发展趋势使得航天器交会对接任务日益频繁,交会对接技术的重要地位也随之凸显。由于运行的空间环境恶劣,航天器易受干扰影响而发生故障,系统安全性和可靠性是交会对接技术新的课题。本文考虑航天器在近距离交会过程出现执行器故障,进行容错控制研究,保证交会任务的顺利完成。本文考虑执行器故障,研究了航天器交会的姿态和轨道容错控制,主要工作包括:首先给出考虑执行器加性故障的近距离交会相对姿态动力学模型,采用欧拉角和旋转矩阵参数对交会相对姿态进行描述;基于Cloheesy-Wilshire方程并考虑执行器故障建立相对轨道模型。基于正交性原理,通过引入次优渐消因子对无迹卡尔曼滤波算法进行改进,改进后的滤波算法具有强跟踪特性。通过状态增广的方式构造增广系统,并利用带次优渐消因子的强跟踪无迹卡尔曼滤波实现对故障和状态的同时估计。仿真表明该方法能够快速准确地得到故障估计结果。对交会轨道跟踪过程中的执行器故障,首先采用考虑执行器饱和的滑模控制律进行轨道交会;再采用附加故障估计补偿项的滑模主动容错控制进行轨道交会。通过横向比较得出主动容错控制具有控制精度高,容错能力强的优点。为了避免姿态展开和非连续飞轮输出,基于旋转矩阵定义新的姿态偏差函数,能够更准确地描述相对姿态。在此基础上,设计了基于姿态旋转矩阵的控制器,并结合故障估计结果给出了容错控制方法,对执行器故障进行主动容错。仿真结果表明基于姿态旋转矩阵的主动容错控制能够得到连续的执行器输出,并具有较好的控制精度和容错效果。
【关键词】：近距离交会 容错控制 强跟踪滤波器 旋转矩阵
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题研究背景与意义8-10
• 1.2 故障诊断与容错控制技术研究10-13
• 1.2.1 故障诊断综述10-12
• 1.2.2 容错控制综述12-13
• 1.3 航天器交会姿轨控制国内外研究现状13-15
• 1.3.1 航天器交会轨道控制国内外研究现状13-14
• 1.3.2 航天器交会姿态控制国内外研究现状14-15
• 1.4 本文章节安排15-16
• 第2章 航天器近距离交会过程的数学模型16-25
• 2.1 坐标系定义16-17
• 2.2 航天器近距离交会相对姿态建模17-21
• 2.2.1 旋转矩阵描述的相对姿态模型18-19
• 2.2.2 欧拉角描述的相对姿态模型19-21
• 2.3 航天器近距离交会相对轨道模型21-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 带次优渐消因子的UKF执行器故障估计25-42
• 3.1 UKF滤波原理25-29
• 3.1.1 滤波问题提出26-27
• 3.1.2 UKF滤波算法27-29
• 3.2 带次优渐消因子的UKF算法29-34
• 3.3 基于强跟踪UKF的执行器故障估计34-41
• 3.3.1 近距离交会相对轨道故障估计34-37
• 3.3.2 近距离交会相对姿态故障估计37-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 近距离交会相对轨道容错控制42-53
• 4.1 滑模控制42-45
• 4.2 基于滑模的相对轨道被动容错控制45-49
• 4.3 基于滑模的相对轨道主动容错控制49-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 基于旋转矩阵的相对姿态主动容错控制53-64
• 5.1 基于旋转矩阵的姿态跟踪系统描述53-57
• 5.2 基于旋转矩阵的姿态跟踪控制律设计57-63
• 5.3 本章小结63-64
• 结论64-65
• 参考文献65-71
• 致谢71

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本文编号：569678