平流层卫星轨道控制建模与仿真研究

平流层卫星由超压气球提供静浮力,气动帆提供轨道控制力,系绳传递各力.能够在一定纬度范围内沿东西方向缓慢运动,因此平流层卫星是一种良好的通信与对地观测平台.首先分析平流层风场特性,给出平流层卫星的组成与工作原理,采用"质量-集中弹性绳"模型,把气球和气动帆分别看作系绳节点,根据各部分动力学特性分别建模;采用Matlab软件平台进行动态仿真,利用不同海拔之间的风速差,产生侧向控制力进行南北方向轨道控制的方法.仿真结果证实气动帆轨道控制系统能够实现平流层卫星南北方向的稳定控制与机动调整.     

平流层卫星建模与基于分级模型的轨道控制

为实现平流层卫星在平流层大气环流作用下环某一纬度飞行,需对平流层卫星经度方向轨迹进行控制.根据Lagrange方程建立了其六自由度的动力学模型,在基于模型的直接输入输出反馈线性化无法实现的情况下,按"舵控制帆、帆控制绳和绳控制球"的工作原理将系统分为3个级联子系统,并对3个子系统分别设计控制器来实现"舵控制球"的轨迹控制.仿真结果表明所设计的控制器性能良好.     

基于刚体卫星绳系编队系统的动力学建模及姿态控制

多体绳系卫星编队系统具有观测范围广、可操作性强、稳定性强等优点,可实现深空探究、大气探测、空间碎片清理等空间作业.三体绳系卫星编队系统是三颗卫星首尾一次通过系绳相连接,形成三角形形状的编队系统,可通过自旋保持空间相对位置稳定.现有的对于三体绳系编队系统的理论研究中,大都将卫星视为质点,简化动力学模型,但与实际情况出入较大.为更符合实际情况,考虑卫星的刚体姿态的影响,采用Newton-Euler法进行三体绳系编队系统的耦合动力学模型的建立.以四元数法为基础,避免出现使方程不可求解的奇异值,忽略空间环境影响及系绳质量,建立考虑系绳张力影响下的动力学模型.基于已有的动力学模型,通过改变系绳连接处位置,进行不同初始条件下动力学仿真分析,得到其动力学响应.当系统内系绳连接处位置不过卫星刚体质心时,系绳拉力产生的扭矩会造成卫星姿态的不稳定,会对系统正常工作造成影响.因此通过主动控制方法,例如变结构控制方法以及基于单神经元的自适应PID控制方法等方法对卫星姿态进行控制,通过仿真验证了控制律的有效性.     

基于非线性单元模型的绳系卫星系统动力学

建立连续绳系卫星系统的离散的可变自由度有限维动力学模型,描述其长时间空间大范围运动.绳系卫星系统为复杂的非线性动力学系统.考虑了系绳的黏弹性、分布质量和空间位形,使得建立的改进珠式模型能够细致地描述系绳的纵横向振动.根据绳索只能受拉而不能抗压的特性引入了系绳单元的松弛模型,准确反映系绳真实受力情况.研究了系统自由度改变...     

考虑空间系绳释放特性的空间绳系机器人协调耦合控制

针对空间绳系机器人的轨迹跟踪控制问题,提出考虑系绳释放特性的跟踪轨迹协调控制方法.该方法考虑系绳释放的动力学特性,在最优轨迹规划过程中将系绳释放速度作为一个规划量,将系绳释放机构的转矩作为一个控制输入,结合操作机器人上推力器控制输入设计协调耦合位姿控制器.该方法的优点是控制输入易于施加,可工程实现系绳协调控制.仿真结果表明,操作机器人能精确跟踪最优轨迹,末端误差为±0.1 m,且能有效跟踪期望姿态,精度在±0.2°.     

空间系绳系统展开的滑模变结构控制

为了增强空间系绳系统展开过程的抗干扰性,本文提出了空间系绳系统展开运动轨迹跟踪的滑模变结构控制方法.考虑大气摄动和无模型摄动建立了空间系绳系统展开运动动力学模型.基于遗传算法,针对两阶段展开方式,采用最优振荡阻尼张力控制律和等分时张力控制律设计了展开运动标称轨迹.为了实现轨迹的鲁棒跟踪,采用考虑展开长度的等效控制和连续函数幂次趋近律切换控制设计了滑模变结构控制器.仿真结果表明,所提出的控制方法有效增强了空间系绳系统展开运动的动态性能及鲁棒性.     

平流层飞艇热性能分析软件开发

为减少平流层飞艇的设计周期和设计试验经费,清晰准确地反映出平流层飞艇空间轨迹和温度场分布以及各种不同因素对轨迹和温度场分布的影响,自主开发了平流层飞艇热性能分析软件.通过建立平流层飞艇运动和热特性模型,利用VC++编程环境,对平流层飞艇在不同输入状态下的上升、浮空、下降过程中的轨迹和温度进行数值仿真,并利用图形显示界面进行显示.软件设计包括参数输入、中间计算和性能分析三个部分.软件将输出结果存储到ACCESS数据库中,增强了数据的可读性和交互性.从软件的运行结果反映出该软件涵盖面广、数据可靠、操作方便、界面生动等特点,达到预期设计目标.     

极涡风场中平流层浮空器轨迹仿真研究

为实现平流层浮空器绕极地飞行,结合极地地区的环境特征,建立了极地风场模型与太阳辐照模型、平流层浮空器动力学模型以及太阳电池与蓄电池相结合的循环能源模型.利用极地地区特有的极涡风场,设计了平流层浮空器轨迹控制策略,以纬向风作为动力在东西方向上飞行,考虑风场紊流影响,通过螺旋桨对浮空器在南北方向上的偏移施加控制.仿真结果表明,在推进功率等约束条件下,采用PID控制方法的浮空器在受到干扰产生偏移时仍然能够回到预定的轨迹,证明了利用极涡风场和控制策略实现平流层浮空器绕极地飞行的可行性.     

基于微分平滑的四旋翼运输系统轨迹跟踪控制

四旋翼系绳运输系统是一种具有8个自由度和4个控制输入的欠驱动、强耦合、多变量的非线性系统.为建立系统模型,将系统解耦为双质点系绳连接子系统和四旋翼姿态控制子系统,基于广义拉格朗日方程推导出系统的动力学模型.然后利用微分平滑理论证明了系统是以载荷位置和四旋翼偏航角为平滑输出的微分平滑系统.进而在等式限制条件下对平滑输出轨迹进行规划,获得前馈开环控制律.为抑制系统扰动并使跟踪误差收敛于原点,利用微分平滑特性推导出动态内反馈控制器.仿真实验验证了所提方法的有效性.     

一类双输入非线性系统的二维平面形状合同控制器设计

针对一般控制系统,利用微分几何中的曲线理论提出了形状变量、被控形状轨迹曲线和形状合同控制等概念.然后,针对一类具有双输入及二维形状变最的非线性系统,利用相对曲率概念和曲线论基本定理设计了三维平面形状合同控制器,这种形状合同控制器能够保证系统的被控形状轨迹曲线与参考轨迹曲线具有完全相同的形状.最后的仿真说明了所采用方法的有效性.