可重构控制力矩陀螺群操控技术研究

发布时间：2017-09-16 15:00

  本文关键词：可重构控制力矩陀螺群操控技术研究

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【摘要】：超敏捷卫星需要具有快速机动和高精度的姿态控制能力,从而保证精确、快速的跟踪与定位。与传统卫星执行机构飞轮相比,控制力矩陀螺(Control Moment Gyro:CMG)相比传统执行机构,具有清洁和输出较大力矩的优点。对于要求快速姿态机动和跟踪的超敏捷卫星来说,它将是首选的姿态控制执行机构。CMG作为卫星执行机构时存在以下问题需要解决:第一,当前主流CMG的力矩输出精度较低,在卫星姿态进行大角度机动时通常采用先CMG进行大角度的机动,再结合其它执行机构进行精确控制的方式,以达到所需稳态控制精度,但是这种方式增加了控制系统的复杂度与成本;第二,由于CMG单体在控制过程中存在耦合干扰,控制策略复杂;第三,当前主流的CMG构型设计,单体故障会大大降低系统性能。针对上述问题,本文将可重构思想引入到CMG的构型设计中,利用微型CMG单体组成可重构群,通过一定的重构策略改变构型中CMG单体参与控制的方式,优化CMG群可用的动量分布状态,使其既能提供大力矩,又能输出精细力矩。文中可重构构型采用多台微型CMG单体替代大型CMG单体的方案,使每个单体失效后对系统的不利影响减小。CMG单体指标要求的降低,也会使CMG单体研制成本大幅下降。本文主要针对微型CMG系统的可重构构型、操纵机理和奇异面分布等方面进行研究,完成了以下几个方面的研究工作:论文在充分进行相关理论调研的基础上,设计了CMG群的可重构构型。文中以CMG群系统提供角动量的能力为约束条件,分析了从4~8个CMG单体组成的各种构型的群角动量效益,并逐个分析了单体失效后对整个构型角动量输出的影响。结合对比分析,提出了由8个CMG单体组成的可重构构型方案。当卫星需要大力矩进行快速机动时,CMG群重构为输出大力矩模式;当卫星需要小力矩进行精细控制时,CMG群重构成输出小力矩方式,能够兼顾快速机动时的大力矩和精细控制时的小力矩两种情况。论文对可重构CMG构型进行奇异特性的分析。论文通过对传统构型奇异产生的机理、分类等进行调研,以此为基础对所设计的CMG可重构构型的各类奇异面分布情况进行研究。相比于传统的构型,其奇异面分布空间对称性好,不可由零运动避免的显奇异大多分布于外包络面。论文对可重构CMG群参与卫星姿态控制进行了研究,采用非对角奇异鲁棒操纵律对可重构后的构型进行操控,并设计了一种新型的基于滤波反步法的卫星姿态控制器。基于Matlab/Simulink分别采用经典构型和可重构构型进行了卫星大角度和小角度机动仿真,通过对比验证了所设计可重构CMG构型的正确性与可行性。
【关键词】：控制力矩陀螺 可重构 构型 奇异 操纵律
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.22
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 研究背景与意义12-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.3 本文研究目的和章节安排18-20
• 第2章 CMG系统相关理论研究20-28
• 2.1 卫星坐标系与姿态描述参数20-23
• 2.2 CMG控制原理23-25
• 2.3 卫星姿态运动学与动力学方程25-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第3章 可重构CMG构型设计28-60
• 3.1 可重构CMG构型设计要求28-29
• 3.2 可重构CMG构型设计29-59
• 3.3 本章小结59-60
• 第4章 可重构CMG构型奇异分析60-76
• 4.1 奇异原理与奇异分类60-61
• 4.2 可重构CMG构型奇异分析61-64
• 4.3 CMG可重构性分析64-69
• 4.4 CMG操纵律分析69-75
• 4.5 本章小结75-76
• 第5章 CMG可重构构型仿真验证76-90
• 5.1 卫星姿态控制系统结构76-77
• 5.2 姿态控制器设计77-83
• 5.3 姿态控制闭环系统仿真建模与分析83-89
• 5.4 本章小结89-90
• 第6章 结论和展望90-92
• 6.1 结论90
• 6.2 展望90-92
• 参考文献92-96
• 在学期间学术成果情况96-98
• 指导教师及作者简介98-100
• 致谢100

【参考文献】

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本文编号：863721