欠驱动燃料晃动及航天器姿态跟踪自适应控制研究

以充液航天器为主要工程背景，研究欠驱动燃料晃动及航天器姿态跟踪自适应控制问题。以仿真与分析相结合的方法提取微重力环境下液体燃料晃动的等效力学模型参数；以包含质心运动和姿态运动在内的六自由度模式描述航天器空间机动动力学；推导刚-液-控耦合系统动力学方程。开展对非线性耦合系统的稳定性、分岔及非线性控制设计方面的研究。全面、深入挖掘欠驱动动力学系统非线性控制理论的最新成果，解决航天器耦合系统姿态镇定、目标跟踪以及液体燃料晃动的非线性自适应补偿问题。设计自适应控制器、确保闭环信号的有界性并使航天器姿态渐进跟踪预期的输出并抑制液体晃动模态。采用多参数延拓方法、借助现代非线性分析工具对非线性耦合系统的稳定性开展定性和定量方面的研究并确立稳定性判据及准则。重要研究成果包括充液航天器刚-液-控耦合系统的建模方法和理论、欠驱动系统非线性动力学与控制的理论和方法、临界参数值、数值仿真结果及计算机仿真软件。

本项目在此前的研究基础上首先对微重力液体晃动动力学进行了进一步的深入研究，采用改进的数值方法得到了不同几何形状贮箱中，依赖于不同邦德数、充液比及接触角的微重力液体的静平衡液面形状。运用Lagrange方法导出了微重力下贮箱内液体与结构耦合系统的无量纲动力学方程组，揭示了刚液耦合系统面内及面外模态的非线性动力学特性。以实际航天器模型为研究对象，建立充液航天器动力学模型；应用反馈线性化原理得到了动态逆控制器。根据构造等效单摆模型需要的液体燃料晃动频率和阻尼，设计能够抑制液体晃动的输入成型器；将设计的输入成型器和动态逆控制相结合得到了复合控制策略并将其应用到受到轴向脉冲推力的充液航天器开环系统仿真中，结果证明所设计的输入成型器可以有效的抑制液体晃动。研究了用动量轮控制一类带轻质悬臂梁附件的充液航天器的姿态机动控制问题，基于Lyapunov稳定性理论设计了实现最终姿态机动的反馈控策略。分析了系统参数对航天器姿态机动剩余章动角及剩余跨越角速度的影响。