3D剛體擺的姿態(tài)運動最優(yōu)控制研究.pdf

1、本文以航天器動力學、最優(yōu)控制理論、數值計算等多學科為背景，在參數優(yōu)化理論的基礎上研究了3D剛體擺的姿態(tài)運動軌跡最優(yōu)控制問題。3D剛體擺是地球靜止軌道(GEO)航天器的一種簡化模型，可以描述為一個繞固定支點旋轉的剛體，且支點無摩擦，剛體在重力作用下能量守恒。
　　由于3D剛體擺運動的復雜性和其動力學系統(tǒng)存在非線性約束的特點，傳統(tǒng)的數值求解方法求解3D剛體擺的最優(yōu)控制問題十分困難，本文提出基于偽譜法理論的數值方法求解3D剛體擺的姿態(tài)運

2、動最優(yōu)控制問題。根據3D剛體擺的受控約化姿態(tài)模型，在插值節(jié)點處來構造具有拉格朗日形式的插值多項式，對原狀態(tài)參數和控制輸入參數進行變換得到原最優(yōu)控制問題的代數約束形式，利用非線性規(guī)劃來處理上述代數約束問題。通過引入松弛參數，保證算法的收斂性和全局最優(yōu)解的存在性，最后針對3D剛體擺的懸垂姿態(tài)運動和倒立姿態(tài)運動進行仿真驗證。
　　基于粒子群優(yōu)化的思想，結合偽譜法為上述3D剛體擺的姿態(tài)運動最優(yōu)控制問題提供合理的初始參考值，設計了粒子群初值

3、優(yōu)化算法，提高控制算法全局搜索最優(yōu)解的收斂速度和運算效率。對比隨機初始參考值的實驗結果，基于粒子群初值優(yōu)化的最優(yōu)控制方法優(yōu)勢明顯。
　　在實際情況中，3D剛體擺會受到外界擾動等因素，如聲音、風能和電磁場等干擾，因此3D剛體擺的最優(yōu)控制問題還涉及反饋控制問題?？紤]存在初始擾動的情況下，將3D剛體擺的運動方程在開環(huán)參考軌跡上線性化，把3D剛體擺的姿態(tài)運動最優(yōu)控制問題轉換為姿態(tài)調節(jié)問題，通過求解時變反饋的兩點邊值問題得到原問題的解。仿真