载人登月飞行器悬停段充液贮箱的晃动仿真及主动控制

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1、硕士学位论文载人登月飞行器悬停段充液贮箱的晃动仿真及主动控制LIQUIDTANKSLOSHINGSIMULATIONANDACTIVECONTROLOFHOVERINGPERIODOFMANNEDLUNARLANDER哈尔滨工业大学2015年12月国内图书分类号：TK83学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文载人登月飞行器悬停段充液贮箱的晃动仿真及主动控制硕士研究生：聂丽萍导师：凡友华教授申请学位：工学硕士学科：力学所在单位：深圳研究生院答辩日期：2015年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学Cl

2、assifiedIndex:TK83U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringLIQUIDTANKSLOSHINGSIMULATIONANDACTIVECONTROLOFHOVERINGPERIODOFMANNEDLUNARLANDERCandidate:NieLipingSupervisor:Prof.FanYouhuaAcademicDegreeAppliedfor:MasterDegreeinEngineeringSpeciality:MechanicsAf

3、filiation:ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2015Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要相比无人探月，载人登月对于飞行器的安全性要求更高。为了完成日益复杂的航天任务，提升其机动能力和运载能力，载人登月飞行器需要携带越来越多的推进剂。而大量液体燃料的晃动有可能对航天器整体的动力学性能产生很大影响，威胁系统的稳定性和结构的安全性，尤其是悬停段结构的稳定性

4、直接影响着陆的安全性，因此对于悬停段液体晃动的抑制尤为重要。本文的研究内容分三个部分，首先对载人登月飞行器充液贮箱从下降段末到悬停段这一过程进行仿真，通过仿真结果发现，飞行器刚悬停时液体晃动是最大的，出现了轻微的液体飞溅，之后贮箱液体处于小幅度晃动中。整个过程没有出现液体翻转的现象，不管处于晃动的哪一阶段，着陆器四个贮箱的液体晃动俩俩是一样的。其次根据仿真充液贮箱晃动的情况我们提出了线性二次最优（LQR）控制方法。先对单个贮箱液体晃动模型进行简化，将晃动液体分别简化成单摆模型和弹簧质量模型，建立其相应的运动学方程。通过运动方

5、程的比较发现这两种简化方法得到的结果是一样的。本文主要是针对单摆模型进行LQR反馈设计，推导出控制方程，并用MATLAB进行仿真，通过对仿真结果分析得知，LQR控制方法能很好的控制单个贮箱液体的晃动，尤其是对晃动液体的姿态角、姿态角速度、晃动角、晃动角速度有很好的控制。通过对晃动液体横纵向速度对比发现，LQR控制器能很好地控制单个贮箱液体的纵向晃动。同时也将本文用LQR方法控制结果与文献基于无源性的控制结果做了比较，发现这两种控制方法差别主要体现在对于晃动角和晃动角速度的控制上，LQR能很快的抑制晃动角和晃动角速度的晃动，大

6、约10s左右能使其达到平衡，但是基于无源性控制方法大约150s才能使其达到平衡。最后将LQR方法应用于载人登月飞行器的四个充液贮箱，由于飞行器的四个充液贮箱俩俩晃动是一致的，因此可以将四个充液贮箱简化成两个二维的充液贮箱。推导出相应的运动方程，并进行反馈设计。通过MATLAB仿真结果发现LQR对登月飞行器的姿态角、姿态角速度，各个贮箱的晃动角、晃动角速度有很好的控制。关键词：载人登月飞行器；晃动仿真；LQR反馈控制；充液贮箱；MATLAB仿真-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractComparedwithnoma

7、ntothemoon,mannedmoonlandinghashigherrequestionforthesafetyoftheaircraft.Inordertocompletetheincreasinglycomplexspacemissions,improvetheirmobilityandcapacity,mannedlunarlanderneedtocarrymoreandmorepropellant.Liquidfuelsloshingmayproduceagreatimpactonthedynamicperfo

8、rmanceofthewholespacecraft,threattothesystemstabilityandthesafetyofthestructure.Sotheproblemofliquidpropellantintheoveralldesignofmodernlunarland