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过驱动航天器推力器动态分配方法

陈寅昕  
【摘要】: 推力器在航天器轨道和姿态控制中具有重要作用,为确保航天器在轨可靠运行,传统设计模式通常是采用冗余推力器的推进系统,在控制过程中如何将期望的控制指令分配到冗余的、推力受限的各推力器是航天器控制系统设计时需要考虑的重要问题之一。动态控制分配方法能够在执行机构存在冗余的条件下,实现某一优化准则或约束下的优化分配,为冗余配置推力器动态分配问题提供了一条可行技术途径。本论文围绕基于动态控制分配的航天器推力分配问题展开研究,取得了如下创新性研究成果: 针对推力器的工作特点,建立了推力分配问题的数学模型,在此基础上提出了一种适用于航天器推力分配的修正伪拟法。该方法首先利用伪逆法求解推力分配问题模型,给出推力器分配的初解;然后采用通过计算零空间向量及其修正参数实现对不满足推力器约束的初解修正,最终给出满足约束要求的推力器分配结果。最后,通过数学仿真验证了算法的可行性与有效性。由于该方法是一个代数求解过程,因此具有较高的计算效率,适合航天器在轨应用。 针对基于推力器的轨道姿态一体化控制模式,将修正伪逆法用于轨道姿态一体化控制的期望控制力/力矩的动态分配,有效降低了控制任务的燃料消耗。为进一步降低燃料消耗,提出了轨控优先的控制模式,即首先对轨控力指令进行推力分配,由于推力器冗余配置,因此得到具有若干可行解的可行解集,然后在此可行解集中寻找能够生成尽可能接近期望姿控力矩的最优解,姿控力矩不足部分可由反作用飞轮等不消耗燃料的执行机构完成。建立了轨控优先的轨道姿态一体化控制推力分配的数学模型,给出了求解该问题的线性规划算法。通过数学仿真验证了算法的可行性和有效性。 航天器编队系统寿命很大程度上取决于各航天器燃料消耗量,针对编队控制的燃料平衡问题,提出了基于控制分配思想的燃料平衡最优控制算法。针对双星编队系统定义了包含两星控制量之差的目标函数,采用哈密尔顿函数求解出考虑燃料平衡的双星编队最优控制算法,并针对控制能力约束进行了修正。最后通过六自由度数学仿真验证了燃料平衡最优控制算法的有效性。


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