某挠性卫星姿态动力学建模与控制

发布时间：2017-09-17 23:01

  本文关键词：某挠性卫星姿态动力学建模与控制

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【摘要】：现代航天器越来越呈现出大型化、低刚度、挠性化的特点,在轨运行期间受到环境力矩的作用及进行姿态机动时,容易激发附件长时间持续振动。附件的弹性振动降低天线形状精度,影响有效载荷工作,降低卫星的姿态精度及姿态稳定度。本学位论文以某通信卫星为背景,对卫星的高精度、高稳定度姿态控制进行了深入研究,主要内容有:针对中心刚体加挠性附件此类簇状卫星,基于拉格朗日原理推导了其动力学方程,并针对帆板的简化模型,通过假设模态法与有限元法进行了模态分析及柔性耦合系数的计算。针对卫星附件振动,分别采用正位置反馈及应变速率反馈的方法,设计了基于压电陶瓷的主动振动补偿器并进行了对比,数值仿真结果表明,主动振动补偿器能有效消除卫星动力学的不稳定极点,快速抑制附件的振动。为实现卫星高精度、高稳定度的姿态控制,设计了自抗扰控制器。为了抑制姿态机动过程中附件的振动,结合小角度姿态机动,安排了两段抛物型的姿态角机动路径。通过推导二阶扩张状态观测器(Extended State Observer,简写ESO)的误差运动方程,提出二阶ESO的阻尼比与带宽,从物理意义上说明了ESO的系数与状态误差动态特性的本质关系,提出了ESO系数的配置新方法。通过合理安排过渡过程,采用二阶ESO实现动态补偿线性化,采用非线性反馈的自抗扰控制律能有效补偿不确定扰动,保证姿态机动的快速性、精度及稳定度。结合滑模控制的鲁棒性以及ESO动态补偿不确定干、扰的优越性,设计了基于ESO的滑模变结构控制律。针对陀螺仪失效或稳态运行为延长陀螺仪寿命关闭陀螺仪的问题,设计了三阶ESO估测角速度并进行动态干扰补偿。针对三阶ESO,构造了误差运动方程,从阻尼比及带宽层面分析了其状态误差的动态特性,说明了误差运动的稳定性及收敛性,提出参数配置的具体方法。对控制器的数值仿真结果表明,基于ESO的滑模控制能够达到与自抗扰同样的控制精度。
【关键词】：挠性卫星 自抗扰控制 滑模控制 扩张状态观测器 振动控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.22;V412.42
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题背景与意义9-10
• 1.2 挠性卫星姿态动力学建模与控制国内外研究现状10-15
• 1.2.1 挠性卫星动力学建模10-12
• 1.2.2 卫星姿态控制技术12-14
• 1.2.3 卫星附件主动振动控制14-15
• 1.3 本文的主要研究内容15-17
• 第2章 挠性卫星姿态动力学建模17-40
• 2.1 引言17
• 2.2 卫星姿态动力学模型17-26
• 2.2.1 参考坐标系17-18
• 2.2.2 姿态动力学方程18-22
• 2.2.3 姿态运动学方程22-25
• 2.2.4 误差动力学方程25-26
• 2.3 柔性耦合系数分析26-36
• 2.3.1 假设模态法27-29
• 2.3.2 有限元方法29-36
• 2.4 反作用飞轮数学模型36-37
• 2.5 卫星模型说明37-39
• 2.6 本章小结39-40
• 第3章 基于压电陶瓷的主动振动补偿器设计40-53
• 3.1 引言40
• 3.2 正位置反馈补偿器设计40-44
• 3.3 应变速率反馈补偿器设计44-47
• 3.4 正位反馈补偿器+传统PID控制器设计47-49
• 3.5 仿真分析49-52
• 3.6 本章小结52-53
• 第4章 基于自抗扰技术的挠性卫星姿态控制53-69
• 4.1 引言53
• 4.2 自抗扰控制律设计53-57
• 4.2.1 基于振动抑制的安排过渡过程53-54
• 4.2.2 二阶ESO设计54-56
• 4.2.3 控制律设计56-57
• 4.3 二阶ESO的阻尼比与带宽57-60
• 4.4 仿真分析60-68
• 4.4.1 挠性附件主动振动控制分析60-62
• 4.4.2 卫星姿态自抗扰控制62-66
• 4.4.3 快速姿态机动66-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第5章 基于ESO的变结构挠性卫星姿态控制69-85
• 5.1 引言69
• 5.2 滑模变结构趋近律69-70
• 5.3 三阶ESO的阻尼比与带宽70-74
• 5.3.1 三阶线性ESO的阻尼比与带宽70-71
• 5.3.2 三阶非线性ESO的阻尼比与带宽71-74
• 5.4 滑模控制器设计74-78
• 5.4.1 有角速度反馈控制律设计74-76
• 5.4.2 无角速度反馈滑模控制器设计76-78
• 5.5 仿真分析78-84
• 5.5.1 滑模控制78-79
• 5.5.2 基于ESO的滑模控制79-81
• 5.5.3 无角速度反馈基于ESO的滑模控制器81-84
• 5.6 本章小结84-85
• 结论85-87
• 参考文献87-92
• 致谢92

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 康莹;李东海;老大中;;航天器姿态的自抗扰控制与滑模控制的性能比较[J];控制理论与应用;2013年12期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 袁国平;航天器姿态系统的自适应鲁棒控制[D];哈尔滨工业大学;2013年

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本文编号：871868