论文部分内容阅读
作为当今世界各国大力发展的尖端技术之一，航天技术发挥着愈加重要的作用。随着对航天器在轨能力要求的不断提高，航天器的结构挠性逐渐增大，所携带的液体燃料质量增加，航天器模型呈现出强耦合、强非线性特性。其次，航天器运行过程中，受执行机构、测量元件功能限制等影响，会存在姿态约束、角速度约束、输入约束等约束条件。此外，由于未知太空环境干扰及元器件老化等影响，难以避免故障的发生，这些均会影响航天器稳定控制。因此，本文分析总结航天器控制的关键科学问题，以提高航天器运行的安全性和可靠性为目的，对航天器安全飞行控制问题展开研究。本文的主要研究内容包括：
(1)针对强耦合、强非线性影响下的复杂航天器姿态快速高精度稳定控制需求，提出柔性振动抑制、液体晃动影响估计及姿态控制器综合设计方法。通过设计鲁棒输入成形器进行柔性附件振动抑制，减弱其对控制精度的影响；其次，通过改进的多变量连续螺旋滑模控制，保证对液体晃动、外界干扰等影响的精确估计及补偿，实现航天器姿态高精度有限时间稳定控制。
(2)针对角速度不可测及多约束下的复杂航天器姿态快速稳定机动控制需求，提出姿态机动轨迹优化及有限时间跟踪控制综合策略。考虑姿态机动快、稳要求，建立机动时间及振动晃动能量的性能指标及多约束条件，设计姿态机动优化轨迹，并分析两者关系；设计不依赖系统模型的有限时间观测器，并利用数值计算方法获得角速度估计值；基于姿态优化轨迹及角速度估计值，设计自适应连续多变量螺旋积分滑模控制器，实现对姿态优化机动轨迹的高精度快速跟踪。
(3)针对传感器测量误差及执行器故障下的航天器快速容错控制需求，提出分环有限时间指令滤波反步控制策略。首先考虑误差及故障影响，建立面向控制模型；其次分别针对姿态角及角速度子系统，设计改进辅助信号及虚拟控制量，保证对滤波误差的有限时间补偿；最后设计中间变量及自适应律，建立容错控制器，并进行综合稳定性证明，实现测量误差及故障下的姿态有限时间控制。
(4)为提高系统灵活性及可靠性，进行航天器编队姿态控制研究。针对角速度及输入约束下的分布式航天器编队姿态同步控制，提出有限时间完全分布式观测器-姿态约束同步控制器综合策略。通过分布式观测器，实现对领航者姿态及角速度的有限时间估计；设计新型有限时间附加系统动态及姿态同步控制器，保证满足角速度跟踪误差及控制输入约束，实现航天器编队的有限时间姿态同步。
(1)针对强耦合、强非线性影响下的复杂航天器姿态快速高精度稳定控制需求，提出柔性振动抑制、液体晃动影响估计及姿态控制器综合设计方法。通过设计鲁棒输入成形器进行柔性附件振动抑制，减弱其对控制精度的影响；其次，通过改进的多变量连续螺旋滑模控制，保证对液体晃动、外界干扰等影响的精确估计及补偿，实现航天器姿态高精度有限时间稳定控制。
(2)针对角速度不可测及多约束下的复杂航天器姿态快速稳定机动控制需求，提出姿态机动轨迹优化及有限时间跟踪控制综合策略。考虑姿态机动快、稳要求，建立机动时间及振动晃动能量的性能指标及多约束条件，设计姿态机动优化轨迹，并分析两者关系；设计不依赖系统模型的有限时间观测器，并利用数值计算方法获得角速度估计值；基于姿态优化轨迹及角速度估计值，设计自适应连续多变量螺旋积分滑模控制器，实现对姿态优化机动轨迹的高精度快速跟踪。
(3)针对传感器测量误差及执行器故障下的航天器快速容错控制需求，提出分环有限时间指令滤波反步控制策略。首先考虑误差及故障影响，建立面向控制模型；其次分别针对姿态角及角速度子系统，设计改进辅助信号及虚拟控制量，保证对滤波误差的有限时间补偿；最后设计中间变量及自适应律，建立容错控制器，并进行综合稳定性证明，实现测量误差及故障下的姿态有限时间控制。
(4)为提高系统灵活性及可靠性，进行航天器编队姿态控制研究。针对角速度及输入约束下的分布式航天器编队姿态同步控制，提出有限时间完全分布式观测器-姿态约束同步控制器综合策略。通过分布式观测器，实现对领航者姿态及角速度的有限时间估计；设计新型有限时间附加系统动态及姿态同步控制器，保证满足角速度跟踪误差及控制输入约束，实现航天器编队的有限时间姿态同步。