剛體姿態(tài)控制驅(qū)動器失效補償研究.pdf

1、隨著科學技術(shù)的發(fā)展,對剛體姿態(tài)控制問題的研究主要分為建模方法的研究以及各種控制策略的研究。目前國內(nèi)外主要是在剛體三軸驅(qū)動的前提下對剛體姿態(tài)進行研究,其驅(qū)動器通常由分別控制三個主軸的噴氣推力器或者動量飛輪裝置組成。當剛體長時間在空間運行的時侯,由于燃料的消耗、潤滑、元/器件的老化等原因,都有可能造成某一軸的驅(qū)動器卡死甚至完全的失效,這樣就使得剛體的動力學性能發(fā)生改變。而這種驅(qū)動器失效有很大的不確定性,其失效方式及其哪一軸的驅(qū)動器失效都是不

2、知道的。如果驅(qū)動器失效得不到有效的補償,剛體的工作壽命可能終結(jié),繼而造成巨大損失。
　　 剛體驅(qū)動器失效的補償方法通常有兩種:一種方法是從硬件設(shè)計上考慮,在每個主軸都配上冗余的備用驅(qū)動裝置,這樣一旦某一驅(qū)動器不能有效的工作,備用的馬上投入工作。但是這種方法使得剛體的重量增大,從而會增加發(fā)射的成本。另一種方法則是用控制理論算法來進行補償,在設(shè)計剛體的控制器時考慮到可能的某個控制器失效,采用三軸動力學耦合的特性,來達到在驅(qū)動器失效的

3、狀況下姿態(tài)控制的目的。后者無需額外進行投資,所以,研究剛體姿態(tài)驅(qū)動器失效補償算法具有理論及其工程實踐的重大意義。
　　 本論文以非對稱性剛體為控制對象,研究剛體姿態(tài)控制驅(qū)動器失效補償策略,所完成的工作主要包括以下幾個方面:
　　 第一,通過閱讀大量的文獻,本文闡述了驅(qū)動器失效剛體控制系統(tǒng)在運動學和動力學及其系統(tǒng)的控制策略方面的主要研究成果及其尚未解決的問題。對剛體姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制方式和控制規(guī)律進行了描述,并總結(jié)了驅(qū)動器

4、失效剛體姿態(tài)控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,分析了現(xiàn)今剛體的姿態(tài)控制領(lǐng)域所存在的諸多問題,最后提出了本論文的研究目標。
　　 第二,采用經(jīng)典Newton-Euler方法建立了驅(qū)動器失效剛體姿態(tài)控制的動力學模型。并對描述剛體姿態(tài)的歐拉角參數(shù)法、四元數(shù)法、Rodrigues參數(shù)法及(w,z)參數(shù)化法進行了總結(jié)比較,分析其奇異性和數(shù)學特點,建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。
　　 第三,在剛體驅(qū)動器正常工作的條件下,提出了基于滑?？刂品椒ǖ目刂撇呗?

5、給出了該控制策略的設(shè)計步驟,并應(yīng)用李雅普諾夫理論進行了穩(wěn)定性分析,仿真結(jié)果驗證了所設(shè)計控制策略的有效性。
　　 第四,對某一軸驅(qū)動器失效的剛體模型,采用滑?？刂品椒ㄔO(shè)計周期性連續(xù)時變反饋控制律,使欠驅(qū)動剛體的姿態(tài)和角速度都趨于平衡狀態(tài),進行仿真驗證,結(jié)果表明所設(shè)計的控制策略滿足預(yù)期要求。
　　 第五,對某一軸驅(qū)動器失效的剛體模型,采用自適應(yīng)與滑模相結(jié)合的方法,設(shè)計了滑模自適應(yīng)控制律,并證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,仿真結(jié)果驗證了所