带柔性太阳帆板的航天器姿态控制实验研究

发布时间：2017-10-14 23:12

  本文关键词：带柔性太阳帆板的航天器姿态控制实验研究

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【摘要】：大面积柔性太阳帆板是大型航天器常见的安装部件,在结构阻尼系数较小的条件下,柔性太阳帆板的低阶模态振动会对星体姿态运动产生重要的影响。如何在考虑帆板低阶模态的条件下进行航天器姿态控制器的设计,是实现星体姿态精确控制的重要前提。本文针对带有单个柔性太阳帆板的一类航天器姿态控制问题进行了理论建模和控制器策略研究,并建立了单轴气浮台姿态控制仿真实验系统,通过物理仿真实验对所设计的控制器进行了试验研究。首先,将带有柔性帆板的航天器考虑为刚柔组合系统,在综合考虑系统刚体姿态运动和柔性模态运动的条件下,采用拉格朗日建模方法,建立了刚柔耦合姿态动力学模型;为降低模型的维数且保证一定的模型精度,采用模态截断法对刚柔耦合动力学模型进行了简化,在此基础上完成了系统刚体运动和模态运动之间的耦合关系的分析,为进一步开展控制器的设计奠定了基础。其次,结合挠性航天器姿态机动过程中的姿态稳定控制问题,设计了常用的PD控制器,而后在MATLAB中建立了相应的闭环数值仿真模型并完成了数值仿真。针对仿真结果中出现的问题,随后又相继设计了变结构控制器、准滑模变结构控制器和基于指数趋近律的变结构控制器。通过对上述几类控制器的对比,分析了各自的优劣并详细分析了变结构控制中的抖振现象。再次,为改善系统动力学模型中的不确定性和变结构控制过程中的抖振问题,采用模糊控制与变结构控制相结合的方法,分别设计了柔性航天器常规模糊变结构控制器和基于趋近律的模糊变结构控制器。理论分析及数值仿真表明,该控制器充分结合了模糊和变结构控制器的优点,能够有效的解决动力学模型的不确定性以及变结构控制中的抖振问题,并且机动时间短,对各阶模态均有很好的抑制效果。为验证所提出控制方法的有效性,本文设计并搭建了带柔性太阳帆板的单轴气浮台姿态实验系统,结合所提出的控制器数学模型,完成了单轴气浮台姿态实验系统控制软件的开发。最后,在考虑不同仿真参数条件下,对所提出的控制方法进行了全物理实时仿真实验。实验结果表明,PID、滑模变结构、模糊变结构控制器能够有效的对姿态进行控制,且具有较高的控制精度和合理的响应速度,与数值仿真分析结果具有较好的一致性。
【关键词】：单轴气浮台 太阳帆板 挠性航天器 姿态控制 实物仿真
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.22
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外气浮台研究历史与现状13-15
• 1.3 挠性航天器的姿态控制方法研究15-19
• 1.3.1 动力学建模15-16
• 1.3.2 姿态控制方法16-19
• 1.4 本文的主要研究内容19-21
• 第2章 带柔性太阳帆板的航天器的动力学建模21-32
• 2.1 引言21
• 2.2 弹性形变运动的数学描述21-22
• 2.3 变形体的离散化方法22-23
• 2.4 带柔性太阳帆板航天器动力学的基本力学原理23
• 2.5 带柔性太阳帆板航天器的动力学模型23-31
• 2.5.1 挠性航天器模型23-29
• 2.5.2 挠性航天器模型的标准状态空间方程模型29-31
• 2.6 本章小节31-32
• 第3章 挠性航天器PID控制与变结构控制方法研究32-55
• 3.1 引言32
• 3.2 PD控制器32-36
• 3.3 变结构控制36-54
• 3.3.1 滑模变结构控制的基本原理37-40
• 3.3.2 挠性航天器的输出反馈变结构控制40-43
• 3.3.3 变结构控制系统的抖振问题研究43-45
• 3.3.4 挠性航天器的准滑模变结构控制45-49
• 3.3.5 挠性航天器基于趋近律的滑模变结构控制49-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第4章 挠性航天器姿态控制模糊变结构方法研究55-70
• 4.1 引言55
• 4.2 模糊控制原理55-56
• 4.3 模糊变结构控制器的设计56-69
• 4.3.1 模糊变结构控制器的结构56-57
• 4.3.2 常规模糊变结构控制系统的设计及仿真57-63
• 4.3.3 基于模糊自适应调节的变结构控制系统的设计及仿真63-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第5章 单轴气浮台仿真系统的搭建70-81
• 5.1 引言70
• 5.2 仿真系统组成70-71
• 5.3 台下监控计算机71-72
• 5.4 气浮系统72-74
• 5.5 台上仿真控制系统74-77
• 5.5.1 测角模块74-75
• 5.5.2 转换模块75-76
• 5.5.3 执行机构76
• 5.5.4 电源模块76
• 5.5.5 控制模块76-77
• 5.6 基于VC++仿真控制系统软件设计77-80
• 5.6.1 上位机和下位机的基本概念77-78
• 5.6.2 仿真控制系统实现的功能78-79
• 5.6.3 仿真系统操作界面79-80
• 5.7 本章小结80-81
• 第6章 挠性航天器的实物仿真与验证81-93
• 6.1 引言81
• 6.2 不同的仿真条件对仿真系统结果的影响81-88
• 6.2.1 采样时间不同对仿真系统的影响83-86
• 6.2.2 执行机构不同对仿真系统的影响86-88
• 6.3 不同的姿态控制器对仿真系统的影响88-92
• 6.3.1 不同的姿态控制器的实物仿真88-91
• 6.3.2 仿真结果的对比与分析91-92
• 6.4 本章小节92-93
• 结论93-95
• 参考文献95-99
• 致谢99

【参考文献】

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1 宁德金;单轴气浮台测控系统的设计与实现[D];哈尔滨工业大学;2009年

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本文编号：1033709