空间绳系卫星系统的动力学与张力控制

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1、硕士学位论文空间绳系卫星系统的动力学与张力控制DYNAMICSANDTENSIONCONTROLOFSPACETETHEREDSATELLITESYSTEM彭鹏哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TP273.2学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文空间绳系卫星系统的动力学与张力控制硕士研究生：彭鹏导师：孙光辉副教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：智能控制与系统研究所答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP273.2U.D.C:621.3DissertationfortheMas

2、terDegreeinEngineeringDYNAMICSANDTENSIONCONTROLOFSPACETETHEREDSATELLITESYSTEMCandidate：PengPengSupervisor：Ass.Prof.SunGuanghuiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：IntelligentControlSystemInstituteDateofDefence：June,2015Degree-Conferring

3、-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要空间绳系卫星系统近年来在地球及空间科学领域引起了广泛重视，在地球轨道转换、人造重力、近地观测及太空探索领域有广阔的应用前景。绳系的释放与回收控制作为绳系卫星系统控制的难点问题，研究其动力学及张力控制具有重要意义。空间绳系卫星系统动力学具有强非线性、弱耦合和欠输入驱动的特点，加之可获得的反馈信息有限，环境因素不确定及控制可靠性高的控制要求，研究其动力学及张力控制具有重要的理论意义和工程应用前景。本文将针对绳系卫星的动力学及张力控制进行研究，分别以“哑铃”模型和“链珠”模型

4、研究非线性退步控制及分数阶控制方法，具体研究工作可以概括如下：首先，基于第二类拉格朗日方程建立起“哑铃”模型绳系卫星动力学方程，给出了无量纲形式的三维动力学模型，并基于平衡点附近的线性化方程回顾了经典线性状态反馈张力控制的控制特性，即通过引入绳长及其导数的线性状态反馈实现绳系卫星系统的稳定释放和回收。其次，通过对“哑铃”模型绳系卫星动力学的分析，将其转换为带有对称性的欠驱动拉格朗日系统，通过采用合适的微分同胚变换将其转化为严格反馈形式，从而通过backstepping控制器设计系统的张力控制，并考虑到实际工程的可实现性，计算出了控制反馈方程，并且通过数值仿真观察了效果。然后，充分利

5、用分数阶微积分的历史记忆效果，同时考虑到经典张力控制无法同时兼顾快速性和无超调性的缺点，文中研究了分数阶张力控制，并给出了适用于工程实际的离散化控制器形式，仿真结果表明分数阶张力控制能够获得比整数阶更加快的释放时间同时保持无超调特性。最后，为了更加真实反映绳系卫星系统在张力控制下的控制效果，采用“链珠”模型对绳系系统进行了离散化。并对比研究了经典张力控制、backstepping控制、分数阶张力控制器作用下的绳系释放和回收的动力学响应。关键词：绳系卫星；backstepping；分数阶；欠驱动系统-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractInrecentyears，spa

6、cetetheredsatellitesystemhasbeenhighlyvaluedbytheearthandspacesciencefield,itsbroadapplicationprospectscanbeforeseeninfieldslikeearthorbitconversion,artificialgravity,near-Earthspaceexplorationanddeepspaceexploration.Spacetetheredsatellitesystemhasthecharacterofstrongnonlinearity,weakcouplinga

7、ndunderactuateddrive,inthemaintimeithaslimitedavailabilityoffeedbackinformation,uncertaintyofenvironmentalfactorsandhighcontrolreliabilityrequirements,whichmakesthestudyofthedynamicsandtensioncontrolhastheoreticalsignificanceandengineer