带有挠性部件三轴稳定卫星鲁棒控制器研究

发布时间：2017-08-19 16:45

  本文关键词：带有挠性部件三轴稳定卫星鲁棒控制器研究

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【摘要】：本论文重点研究了鲁棒控制方法在卫星姿态控制系统中的工程应用问题。论文对研究鲁棒控制方法在卫星姿态控制器设计中应用的研究意义进行了说明,对目前卫星姿态控制器设计所面临的现实问题进行了分析,对卫星姿态控制系统的组成、控制原理进行了概述,回顾了卫星姿态控制系统控制器设计的主要方法,对PID控制、自适应控制、滑模变结构控制、LQG等设计方法进行了比对分析。论文对鲁棒稳定性、鲁棒性能、系统不确定性、结构奇异值、互质因子分解、线性分式变换、标准H_∞控制器设计方法、混合灵敏度设计方法、回路成形设计方法和线性矩阵不等式等鲁棒控制理论的基本概念和设计方法进行了较为系统和深入的研究。对MIMO系统的增益方向、零极点、稳定性判据等概念和方法进行了研究。采用混合坐标法推导了带有挠性附件卫星的动力学方程,推导了卫星姿态动力学方程的状态空间模型。研究了鲁棒控制器设计所需的加权广义对象状态空间模型建模方法和权函数的选择方法。研究了建立结构奇异值μ分析所需的对象模型的建模方法。应用H_∞鲁棒控制方法为某卫星设计了控制器,并对所设计的控制器的性能进行了结构奇异值分析和时域仿真分析。论文最后在基于MATLAB Xpc target搭建的实时半物理仿真系统中对所设计的控制器进行了工程实际验证,结果表明所设计的控制器性能与数值仿真结果接近,所设计的控制器满足卫星对姿控系统的设计要求。本文所研究的方法为未来新型卫星高精度姿态控制系统的设计提供了一种新的途径。
【关键词】：鲁棒控制 卫星姿态动力学 挠性附件 结构奇异值分析
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 研究的目的与意义11-12
• 1.2 卫星姿态控制系统概述12-14
• 1.2.1 卫星姿态确定技术概况12-13
• 1.2.2 带挠性附件的姿态动力学建模研究概况13
• 1.2.3 卫星姿态控制执行机构概况13-14
• 1.3 卫星姿态控制的主要方法和研究情况14-17
• 1.4 鲁棒控制方法在卫星姿态控制中的应用情况17-18
• 1.5 本论文的主要内容和安排18
• 1.6 本章小结18-20
• 第2章 鲁棒控制理论基础20-52
• 2.1 数学基础20-24
• 2.1.1 范数20-21
• 2.1.2 奇异值21
• 2.1.3 奇异值分解21-22
• 2.1.4 线性空间22-24
• 2.2 MIMO系统的控制基础24-27
• 2.2.1 MIMO的系统的增益24-25
• 2.2.2 MIMO系统的增益方向25-26
• 2.2.3 MIMO系统的零点和极点26-27
• 2.3 传递函数矩阵的状态空间实现27-30
• 2.4 系统降阶平衡实现30-31
• 2.5 互质因子分解31-32
• 2.6 线性分式变换32-33
• 2.7 系统稳定性及其判断方法33-35
• 2.8 系统的不确定性35-39
• 2.9 结构奇异值分析39-43
• 2.9.1 系统不确定性的分块对角表示39-40
• 2.9.2 结构奇异值40-43
• 2.10 标准H_∞控制器设计方法43-46
• 2.11 混合灵敏度设计方法46-47
• 2.12 回路成形设计方法47-50
• 2.13 线性矩阵不等式50-51
• 2.14 本章小结51-52
• 第3章 卫星姿态描述及动力学方程52-67
• 3.1 常用坐标系定义52-53
• 3.1.1 坐标系定义52
• 3.1.2 坐标系变换52-53
• 3.2 卫星姿态参数描述53-57
• 3.2.1 方向余弦53-54
• 3.2.2 欧拉角54-55
• 3.2.3 四元数55-57
• 3.3 四元数与欧拉角的转换57-58
• 3.3.1 欧拉角到四元数的转换57
• 3.3.2 四元数到欧拉角的转换57-58
• 3.4 姿态运动学方程58-60
• 3.4.1 欧拉角运动学方程58-60
• 3.4.2 四元数运动学方程60
• 3.5 带挠性附件卫星的姿态动力学方程60-66
• 3.5.1 弹性体振动动力学的模态分析法61-63
• 3.5.2 具有挠性帆板的卫星的姿态动力学方程63-66
• 3.6 本章小结66-67
• 第4章 带挠性附件卫星姿态的鲁棒控制67-87
• 4.1 卫星在轨运行时的主要干扰力矩67-70
• 4.1.1 重力梯度力矩67-68
• 4.1.2 光压力矩68
• 4.1.3 地磁力矩68-69
• 4.1.4 气动力矩69-70
• 4.2 卫星姿态动力学方程的线性化70-72
• 4.3 卫星动力学方程的状态空间表示72-75
• 4.4 卫星姿态控制鲁棒控制器设计75-78
• 4.5 卫星姿态控制广义对象的加权78-83
• 4.5.1 控制对象状态空间模型的加权78-80
• 4.5.2 控制对象传递函数矩阵模型的加权80-83
• 4.6 带有参数不确定性的卫星姿态动力学方程83-86
• 4.7 本章小结86-87
• 第5章 设计算例与仿真分析87-117
• 5.1 卫星动力学参数87-88
• 5.2 控制对象模型88-89
• 5.3 控制目标和对控制对象的加权函数89-93
• 5.4 H_∞鲁棒控制理论设计的控制器93-97
• 5.5 仿真模型97-98
• 5.6 仿真结果与分析98-111
• 5.6.1 开环状态下的仿真99-101
• 5.6.2 系统闭环状态下的仿真101-104
• 5.6.3 干扰力矩增加至飞轮控制力矩的9倍104-107
• 5.6.4 周期脉冲干扰情况下的闭环响应。107-111
• 5.7 零极点及奇异值分析111-113
• 5.8 系统鲁棒性分析113-116
• 5.9 本章小结116-117
• 第6章 半物理仿真验证117-131
• 6.1 半物理试验验证平台的组成117-118
• 6.2 半物理仿真主要组成部件说明118-126
• 6.2.1 反作用飞轮118-120
• 6.2.2 陀螺及陀螺恒压源120-121
• 6.2.3 星敏及电星模121-122
• 6.2.4 姿轨控计算机仿真机122-123
• 6.2.5 仿真控制计算机123-126
• 6.3 半物理仿真闭环试验运行过程126-127
• 6.4 仿真测试试验结果127-130
• 6.5 本章小结130-131
• 总结与展望131-132
• 参考文献132-139

【参考文献】

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1 李顺利;李立涛;杨旭;;柔性多体卫星自抗扰控制系统的研究[J];宇航学报;2007年04期

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本文编号：701845