三軸穩(wěn)定航天器姿態(tài)最優(yōu)控制方法研究.pdf

1、航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)是整個(gè)航天器系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的子系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到航天器總體下達(dá)的性能指標(biāo)能否滿足。在軌運(yùn)行的航天器都承擔(dān)一定的探測、開發(fā)和利用空間的任務(wù)，在這些任務(wù)中，往往需要姿態(tài)在達(dá)到穩(wěn)定或跟蹤的同時(shí)，滿足過程中所需要的燃料最少、或是時(shí)間燃料消耗綜合最優(yōu)等各種要求，航天器姿態(tài)的最優(yōu)控制在完成這些要求中起著重要作用，在近年來備受關(guān)注。
　　由于航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出、耦合的不確定非線性系統(tǒng)，使得最

2、優(yōu)控制在該問題的解決上變得尤其復(fù)雜和困難，同時(shí)在軌運(yùn)行的航天器不可避免地受到各種干擾力矩的影響，在實(shí)際中難以得到滿意的最優(yōu)控制性能。本文就是在這種背景下，從理論和應(yīng)用兩個(gè)方面對航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制算法進(jìn)行了深入的研究，并將提出的最優(yōu)控制方案用于某型在研航天器的姿態(tài)控制中。主要完成了以下幾個(gè)方面的工作：
　　針對航天器姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)間最優(yōu)控制問題，提出了基于偽光譜算法的時(shí)間最優(yōu)控制器，首先分別設(shè)計(jì)了基于Legendre偽光譜算法

3、和Gauss偽光譜算法的時(shí)間最優(yōu)開環(huán)控制器，應(yīng)用Pontryagin極小值原理證明了其開環(huán)解的最優(yōu)性，其次，應(yīng)用Bellman最優(yōu)性原理對開環(huán)控制器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了閉環(huán)時(shí)間最優(yōu)實(shí)時(shí)控制器，不僅完成了機(jī)動(dòng)任務(wù)，而且具有較強(qiáng)的魯棒性。
　　針對航天器姿態(tài)二次型最優(yōu)跟蹤控制問題提出了一種新的非線性最優(yōu)綜合控制方法，θ-D方法，在求解HJB方程基礎(chǔ)上，通過引入中間變量θ，性能指標(biāo)擴(kuò)展為一組θ的冪級數(shù)。HJB方程簡化為一組遞歸的代數(shù)方程，求

4、得一個(gè)有限項(xiàng)的閉環(huán)控制器。通過增加插入項(xiàng)，可以保證級數(shù)的收斂性以及系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性，同時(shí)，克服了其他冪級數(shù)展開方法引起的初始力矩較大的問題，并能通過調(diào)整插入項(xiàng)的參數(shù)靈活地調(diào)整系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)。
　　研究了一組仿射非線性方程的協(xié)同控制的最優(yōu)化問題，借鑒了滑模變結(jié)構(gòu)控制中滑模面的思想，設(shè)計(jì)了新的協(xié)同控制方程，并驗(yàn)證了其滿足最優(yōu)控制的充要條件，此控制方法結(jié)合了滑?？刂婆c最優(yōu)控制的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)改善了滑模變結(jié)構(gòu)控制中的不連續(xù)產(chǎn)生的抖振現(xiàn)象。