空間系繩系統動力學與運動控制教程

目 錄

第1章 空間系繩系統及相關基礎知識 1
1.1 空間系繩系統概述 1
1.1.1 空間系繩系統是什麼 2
1.1.2 空間系繩系統有什麼用 3
1.1.3 空間系繩系統做什麼 4
1.2 相關基礎知識介紹 6
1.2.1 開普勒軌道介紹 6
1.2.2 慣性矩陣相關概念 11
1.2.3 動量相關概念 12
1.2.4 動量矩相關概念 13
1.2.5 轉動系中的慣性力與科裏奧利力 14
1.2.6 拉格朗日方程介紹 14
1.2.7 統計學相關概念 17
1.2.8 數值積分方法介紹 19
第2章 空間系繩系統動力學模型 23
2.1 引言 23
2.2 坐標轉換基礎 24
2.3 常用坐標系 26
2.3.1 常用坐標系定義 26
2.3.2 坐標轉換矩陣 28
2.4 空間系繩系統模型建立 30
2.5 數值積分方法對建模精度的影響 33
2.6 小結 34
練習題 35
第3章 空間系繩系統向垂直位置的標稱展開程序計算 37
3.1 引言 37
3.2 展開過程概述 37
3.3 展開控制律設計 38
3.3.1 最優振蕩阻尼控制律 38
3.3.2 大長度空間系繩系統的展開控制律 40
3.4 參數優化方法 41
3.4.1 下山單純形算法 42
3.4.2 遺傳算法 43
3.4.3 優化算法對比 44
3.5 邊值求解方法 44
3.6 邊值問題求解示例 47
3.7 小結 49
練習題 49
第4章 系繩與地垂線有偏離的空間系繩系統快速展開標稱程序計算 50
4.1 引言 50
4.2 展開過程概述 50
4.3 展開控制律設計 51
4.3.1 時間最優張力控制律 51
4.3.2 平滑張力控制律 52
4.3.3 基於雙曲正切函數的平滑張力控制律 52
4.4 邊值求解方法 53
4.5 邊值問題求解示例 57
4.6 小結 58
練習題 58
第5章 基於空間系繩系統從軌道返回的返回艙進入大氣層的條件計算 59
5.1 引言 59
5.2 動態輔助返回再入概述 59
5.3 大氣層返回條件計算 60
5.3.1 返回艙的相對速度計算 60
5.3.2 返回艙的牽連速度計算 61
5.3.3 返回艙運動的初始條件計算 61
5.3.4 返回艙進入大氣層的條件計算 61
5.3.5 問題求解示例 62
5.4 空間系繩系統輔助返回控制律設計 63
5.4.1 第一階段靜態展開控制律 63
5.4.2 第二階段動態展開控制律 64
5.4.3 第一階段約束條件和性能指標函數 64
5.4.4 第二階段約束條件和性能指標函數 64
5.4.5 空間系繩展開和釋放返回艙的過程 65
5.5 不同條件對返回任務的影響 66
5.5.1 圓軌道下再入條件的仿真分析 66
5.5.2 橢圓軌道下再入條件的仿真分析 71
5.6 小結 73
練習題 73
第6章 航天器升軌機動計算 75
6.1 引言 75
6.2 軌道機動概述 75
6.2.1 單航天器霍曼升軌機動 75
6.2.2 空間系繩升軌機動 76
6.3 軌道機動計算 78
6.3.1 用於進入更高橢圓軌道的機動計算 78
6.3.2 用於進入近似圓軌道的機動計算 79
6.3.3 問題求解示例 79
6.4 系統參數對升軌機動能力的影響 80
6.4.1 偏離角對小航天器軌道參數的影響 81
6.4.2 切斷角擾動對小航天器軌道參數的影響 81
6.4.3 系繩長度對小航天器軌道參數的影響 83
6.5 小結 84
練習題 84
第7章 空間系繩系統的空間相對平衡位置計算 86
7.1 引言 86
7.2 空間系繩系統的空間相對靜止條件 86
7.2.1 確定重力梯度力的分布載荷 87
7.2.2 確定氣動力的分布載荷 87
7.2.3 確定慣性力的分布載荷 88
7.3 在近地赤道軌道上空間系繩系統平衡位置的計算 88
7.3.1 帶載荷的空間系繩系統平衡位置 89
7.3.2 帶載荷的空間系繩系統平衡位置計算示例 90
7.3.3 無載荷的空間系繩系統平衡位置計算示例 91
7.4 同步軌道上的系繩臨界長度估算 93
7.5 小結 94
練習題 95
第8章 小航天器分離時控制系統的過渡過程分析 97
8.1 引言 97
8.2 運動初始條件計算 97
8.2.1 控制力形式 99
8.2.2 控制限制（約束） 99
8.3 控制系統過渡過程和運動特征 99
8.3.1 小航天器相對於地垂線的運動軌跡建立 99
8.3.2 控制系統過渡過程示例 100
8.4 小結 102
練習題 102
第9章 空間系繩系統展開的最優控制器經典綜合方法 105
9.1 引言 105
9.2 基於貝爾曼動態規劃的最優控制器設計 105
9.3 展開過程最優控制器設計 109
9.4 仿真示例 110
9.5 小結 112
練習題 112
第10章 空間系繩系統展開控制系統最優動態濾波器計算的經典方法 114
10.1 引言 114
10.2 卡爾曼濾波方法 114
10.2.1 算法邏輯 115
10.2.2 卡爾曼濾波的初值選取 116
10.3 空間系繩系統展開過程濾波器設計 117
10.3.1 濾波器設計 117
10.3.2 仿真示例 118
10.4 小結 119
練習題 120
第11章 空間系繩系統展開的統計學仿真 121
11.1 引言 121
11.2 數學問題的提出 121
11.3 生成隨機量 121
11.4 統計學仿真及數據處理示例 124
11.5 小結 125
練習題 126
參考文獻 128