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交会对接目标飞行器姿态动力学与控制仿真研究

专 业: 力学
关键词: 交会对接 目标飞行器 仿真 姿态动力学 姿态控制 最优控制
分类号: V412.42
形 态: 共 88 页 约 57,640 个字 约 2.757 M内容
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内容摘要


交会对接RVD是进行空间组装、空间救援、深空探测等的必要技术,也是我国载人航天第二步战略的关键技术,而建立交会对接仿真系统是深入研究交会对接技术的重要途径。

本文以交会对接仿真系统研制为背景,重点研究了航天器姿态控制律参数设计问题,搭建了具有较好通用性的航天器姿态动力学与控制仿真框架,设计开发了RVD目标飞行器仿真原型系统。

全文的工作包括以下几个方面的内容:1.对航天器姿态动力学模型和姿态控制技术进行了概括和总结。

给出了交会对接目标飞行器的单刚体姿态动力学模型和多刚体姿态动力学模型,并描述了相关计算模型。

2.研究了带质量喷射装置和带角动量交换装置两类航天器的姿态控制律设计问题。

设计了喷气姿态控制的相平面控制律参数,仿真验证了相平面控制律的实用性,并分析了控制器参数的变化对控制结果的影响;对比分析研究了飞轮PD控制器的参数预估、基于优化算法的参数整定和基于Matlab/Simulink的NCD模块三种设计方法。

3.研究了航天器的姿态机动最优控制问题。

针对连续力矩和开关控制力矩两种已有的控制器模型,采用模拟退火算法,实现了连续力矩的时间最优参数优化和开关控制力矩开关次数最少的消振参数优化,在不增加控制律设计任务的前提下得到了具有实际意义的控制器。

4.利用面向对象技术建立了一个航天器姿态动力学与控制仿真框架。

分析了航天器姿态动力学与控制仿真的通用性需求,给出了仿真框架的对象结构图,设计了通用仿真类库,建立了框架的对象模型、动态模型和功能模型。

5.在航天器姿态动力学与控制仿真框架基础上研制了RVD目标飞行器仿真的原型系统。

利用原型系统完成了目标飞行器的六自由度仿真,并实现了目标飞行器对地定向姿态稳定控制和姿态机动控制的仿真任务研究。

本文的工作是我国交会对接地面仿真系统的一个重要组成部分,同时相关研究对其它类型航天器姿态动力学和控制研究具有一定的借鉴价值..……

全文目录


文摘
英文文摘
论文说明:图目录、表目录
第一章 绪论
1.1空间交会对接概念
1.2交会对接及其仿真技术发展现状
1.3交会对接飞行任务仿真与规划需求分析
1.4航天器姿态控制系统
1.5航天器姿态动力学与控制技术发展综述
1.5.1经典航天器姿态控制理论
1.5.2现代航天器姿态控制
1.5.3航天器姿态智能控制
1.5.4国内外智能控制的研究现状
1.5.5展望
1.6本文研究的主要内容
第二章 航天器姿态动力学
2.1引言
2.2姿态和姿态动力学基础
2.2.1坐标系定义
2.2.2姿态参数
2.2.3姿态运动学
2.3航天器姿态动力学
2.3.1姿态动力学
2.3.2单刚体姿态动力学方程
2.3.3多刚体姿态动力学方程
2.4计算模型
2.4.1质量模型
2.4.2推力模型
2.4.3飞轮模型
2.4.4空间环境力矩模型
2.5小结
第三章 航天器姿态控制律设计
3.1引言
3.2姿态相平面控制律设计
3.2.1喷气控制系统
3.2.2航天器姿态相平面控制律设计
3.2.3相平面控制律参数a1对姿态响应的相平面影响
3.3带飞轮的零动量系统姿态PID控制器设计
3.3.1飞轮控制系统
3.3.2 PD控制器模型和问题配置
3.3.3 PD控制器参数预估
3.3.4 PD控制器参数整定
3.4基于Matlab/Simulink的PID控制器设计
3.4.1 Matlab/Simulink环境简介
3.4.2 Simulink建模
3.4.3 NCD模块的PD控制器设计
3.4.4结果分析
3.5 PID控制器设计方法的对比分析
3.6小结
第四章 航天器姿态机动的最优控制研究
4.1引言
4.2航天器姿态最优控制研究综述
4.2.1时间最优控制
4.2.2能量最省控制
4.2.3二次型QR或LQR最优控制
4.3模拟退火算法
4.3.1算法概述
4.3.2算法操作和参数设置
4.4连续力矩时间最优姿态机动控制器参数优化设计
4.4.1姿态机动连续力矩控制律
4.4.2最优控制模型
4.4.3仿真算例及结果分析
4.5开关次数最优的姿态机动反馈控制消振参数优化设计
4.5.1姿态机动开关控制律
4.5.2最优控制模型
4.5.3仿真算例及结果分析
4.6小结
第五章 姿态动力学与控制面向对象仿真框架研究
5.1引言
5.2面向对象方法
5.3面向对象仿真建模
5.3.1需求分析
5.3.2面向对象建模
5.3.3仿真通用类库设计
5.4框架模型
5.4.1对象模型
5.4.2动态模型
5.4.3功能模型
5.5小结
第六章 交会对接目标飞行器仿真子系统的初步实现
6.1引言
6.2交会对接目标飞行器仿真需求
6.3目标飞行器六自由度仿真研究
6.3.1六自由度仿真需求分析
6.3.2右函数的计算
6.4原型系统的实现
6.5仿真实例
6.6小结
第七章 结论与展望
参考文献

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中图分类: > V412.42 > 航空、航天 > 航天(宇宙航行) > 基础理论及试验 > 飞行力学

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