返回囊绳系辅助系统的展开动力学与控制研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:maomao0464
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绳系辅助返回技术是近年来新兴的一种空间有效载荷返回技术,在未来空间平台及空间站等方面具有广阔的应用前景。返回囊绳系辅助系统的展开控制极大地影响及决定绳系辅助返回任务的成败,因而返回囊绳系辅助系统的展开动力学与控制问题成为了绳系辅助返回技术研究及应用的关键点。本学位论文以返回囊绳系辅助系统为背景,对复杂情况下的返回囊绳系辅助系统的展开动力学与控制问题进行深入的研究,具体工作如下:  针对大型的近地轨道的绳系辅助返回任务,考虑了系绳柔性因素和有质量分布,首先基于微元法建立柔性返回囊绳系辅助系统的位置矢量方程和运动平衡方程,进而基于拉格朗日方程建立无摄动下的柔性返回囊绳系辅助系统的展开动力学模型;然后在此基础上,基于牛顿欧拉法建立了J2项摄动和大气阻力摄动下的柔性返回囊绳系辅助系统的展开动力学模型。  为解决柔性返回囊绳系辅助系统展开动力学方程复杂非线性、非自治强耦合且难以求解的问题,基于伽辽金数值解法对动力学方程进行离散化求解,为进一步的理论分析及仿真验证等提供理论依据。引入了经典的“珠子模型”,以验证动力学建模及求解的准确性;最后通过数学仿真进行验证和分析,验证动力学建模及伽辽金法的解的正确性和收敛性。  基于伽辽金数值解法的求解结果,以具有代表性的二阶伽辽金法求解结果为研究对象,基于Lyapunov稳定性理论和大系统的稳定理论来分析和确定柔性返回囊绳系辅助系统的展开稳定性和稳定域;并在此基础上,基于二阶系统的阶跃响应函数分析稳定条件下的柔性返回囊绳系辅助系统的展开动力学特性;最后基于相平面分析的方法,通过数学仿真手段对柔性返回囊绳系辅助系统的展开的稳定性和稳定域进行了验证,并对系统的展开动力学特性进行了数学仿真验证。  针对柔性模型存在复杂的非线性——不利于展开控制问题,基于拉格朗日方程建立J2项摄动和大气阻力摄动下的刚性返回囊绳系辅助系统的展开动力学模型,并通过数学仿真手段与柔性模型进行比较分析;基于上述研究成果,对刚性模型进行修正,并针对修正后的模型进行展开释放控制律设计,且分析展开控制的稳定性问题;同时基于修正后的模型,研究大气阻力摄动下的返回囊绳系辅助系统的相对姿态控制问题。
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