绳系卫星释放和回收的动力学控制

论文摘要

绳系卫星系统是指采用细长系绳将两个或多个人造卫星连在一起飞行的组合体。绳系卫星是一项颇具发展前景的技术,有可能促成太空探索及开发领域的一次技术革命。然而,即便结构形式最简单的绳系卫星系统,其动力学及控制问题也非常复杂。由于系绳具有阻尼小、柔性大的特点,当它被置于空间环境并与卫星耦合时极易产生一系列复杂的天平动及振动。在绳系卫星释放及回收过程中,系绳长度的变化引起Coriolis加速度,可能导致系绳出现大幅摆动及振动。若不施加控制,系绳内的动应力幅值可能会超过材料的强度极限,导致系统失效。本文考虑绳系卫星系统应用中最关键的释放和回收环节,研究其相关动力学与控制问题。论文的主要研究内容和学术贡献如下:1.研究非线性最优控制问题的Legendre-Gauss-Lobatto （LGL）伪谱法,提出并证明Bolza型最优控制问题的直接二阶LGL伪谱法的协态映射关系。在此基础上,采用C++语言编写通用非线性最优控制程序包,并通过加入符号数学预处理器和利用矩阵稀疏结构,大大提高了计算效率。2.针对绳系卫星释放过程的固定及非固定时间区间轨道优化问题,提出基于二阶微分包含的控制律设计方法,使得优化变量数及约束数显著减少。考虑倾斜轨道上电动力绳系卫星的回收过程和轨道面内三体绳系卫星系统的释放过程,分别研究其非线性最优控制问题。利用LGL伪谱法将上述连续时间最优控制问题离散后,通过非线性规划方法进行求解。3.针对扰动影响下的绳系卫星释放控制问题,基于直接轨道产生方法设计反馈控制器,提出一种在线网格调整算法,使得计算时间大幅减少。考虑倾斜轨道上电动力绳系卫星回收控制问题,设计非线性模型预测控制器,并采用多体动力学模型对控制性能进行检验。4.通过时间尺度变换,研究绳系卫星回收过程的无限时域最优控制问题,分别利用两种Legendre-Gauss-Radau （LGR）伪谱法进行离散求解,并通过实时轨道产生方法初步设计了反馈控制器。5.利用气浮装置和喷管来模拟绳系卫星上的重力梯度力和Coriolis加速度作用,提出了新的绳系卫星系统地面模拟实验设计方案,并就卫星仿真器、计算机视觉和系绳控制等关键子系统研制过程中所涉及到的理论和技术问题进行讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 绳系卫星的基本原理
• 1.2.1 重力梯度
• 1.2.2 动量交换
• 1.2.3 电动力
• 1.3 动力学与控制研究
• 1.3.1 两体绳系卫星系统
• 1.3.2 绳系卫星编队系统
• 1.3.3 地面模拟实验系统
• 1.4 本文研究内容与结构安排
• 第二章 动力学系统建模
• 2.1 两体绳系卫星系统
• 2.1.1 动能与势能
• 2.1.2 动力学方程
• 2.1.3 广义力
• 2.2 三体绳系卫星编队飞行系统
• 2.3 系绳的多体动力学建模
• 2.3.1 系绳模型
• 2.3.2 释放与回收
• 2.4 小结
• 第三章 有限时域轨道优化
• 3.1 LEGENDRE-GAUSS-LOBATTO 伪谱法
• 3.1.1 Bolza 问题
• 3.1.2 最优性条件
• 3.1.3 LGL 伪谱离散
• 3.1.4 非线性规划最优性条件
• 3.1.5 闭合条件及协态映射
• 3.1.6 扩展应用
• 3.1.7 算例考核
• 3.2 两体绳系卫星系统
• 3.2.1 无电动力情形
• 3.2.2 含电动力情形
• 3.3 三体绳系卫星编队飞行系统
• 3.3.1 系统模型与参数
• 3.3.2 算例研究
• 3.4 小结
• 第四章 闭环反馈控制
• 4.1 直接轨道产生
• 4.1.1 系统模型与开环控制
• 4.1.2 闭环控制器
• 4.1.3 算例研究
• 4.2 模型预测控制
• 4.2.1 系统模型
• 4.2.2 闭环控制器
• 4.2.3 算例研究
• 4.3 小结
• 第五章 无限时域控制
• 5.1 系统模型
• 5.2 最优控制
• 5.3 LEGENDRE-GAUSS-RADAU 伪谱法
• 5.3.1 域变换
• 5.3.2 直接伪谱法
• 5.3.3 伪线性方法
• 5.4 算例研究
• 5.5 小结
• 第六章 物理仿真实验平台研制
• 6.1 方案设计
• 6.2 系统研制
• 6.2.1 卫星仿真器
• 6.2.2 计算机视觉系统
• 6.2.3 系绳控制系统
• 6.3 小结
• 第七章 总结
• 7.1 本文的主要工作与贡献
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录 引理3 的证明