一种双体卫星的动力学建模与控制研究

发布时间：2017-09-22 00:00

  本文关键词：一种双体卫星的动力学建模与控制研究

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【摘要】：在许多卫星项目中,卫星的高精度指向、高稳定度是至关重要的,例如:高精度高分辨率对地观测、激光通信卫星等。由于卫星上的活动部件和结构形变等因素产生的微振动会降低卫星载荷的指向精度和稳定度,因此需要进行隔振。本文采用一种双体卫星结构将卫星载荷与振源从物理结构上进行完全的隔离,从而可以保证载荷的姿态指向精度和姿态稳定度。本文的主要工作分为三大部分,首先是通过介绍卫星隔振技术的发展概况了解当前该领域中所遇到的困难与挑战,从而引出为进一步提高隔振性能而提出的双体卫星概念,并对其目前的发展做了一定的介绍。其次是对本文所采用的一种双体卫星结构进行相关的研究,建立其运动学与动力学模型。最后,对双体卫星进行控制系统的设计,给出相应的控制器PID参数,通过在Matlab/Simulink下对双体卫星控制系统进行仿真,验证双体卫星的姿态指向特性以及隔振特性。双体卫星从结构上分为载荷平台与卫星主体结构两部分,它们通过8个力执行器产生的磁浮力场进行动力学上的固联从而使彼此之间不相互接触。控制方式采用载荷为主,平台为辅的协同控制策略。双体卫星的动力学模型分为载荷平台动力学模型,主体结构动力学模型以及相对位置结构动力学模型。在对双体卫星进行控制系统设计时,主要需要解决三个问题。第一个问题是考虑如何将8个力执行器合理的分布在载荷平台与主体卫星结构之间。本文从几何结构上考虑,以最大限度降低力执行器间的静态耦合为原则,给出了分配方案。第二个问题是指如何分配确定每个力执行器的输出控制力,即控制力的分配问题。本文根据相对姿态与相对位置模型推导出8个相对测量距离与相对姿态和相对位置的关系,从而得出相对姿态矩阵和相对位置矩阵,解决了控制力的分配问题。第三个问题是如何解决相对位置控制系统与载荷平台姿态控制系统之间的耦合性。本文通过采用将力场分解为净力场和净力矩场的方法,消除了控制子系统间的耦合性。通过解决这三个问题,本文得出了双体卫星的三轴解耦控制系统模型,它可以分解为载荷平台姿态控制系统,卫星主体结构姿态控制系统以及相对位置控制系统。最后通过对每个子系统进行PID控制律的设计完成了对双体卫星的整体控制。
【关键词】：双体卫星 姿态控制 位置控制 隔振 解耦
【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】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题来源9
• 1.2 课题背景、研究的目的及意义9-10
• 1.3 国内外研究现状与发展趋势10-12
• 1.3.1 隔振技术综述10-12
• 1.3.2 空间载荷的隔振及高精度指向研究12
• 1.4 论文的主要内容与结构12-14
• 第2章 双体卫星运动学与动力学模型的建立14-35
• 2.1 引言14
• 2.2 常用参考坐标系14-15
• 2.3 双体卫星运行方式的分析15-17
• 2.4 不同姿态描述方法间的比较与选择17-18
• 2.5 欧拉角姿态参数18-20
• 2.6 双体卫星的运动学建模20-24
• 2.6.1 载荷平台的姿态运动学模型20-22
• 2.6.2 载荷平台与卫星主体结构的相对姿态运动学模型22-24
• 2.6.3 载荷平台与卫星主体结构间的相对位置运动学模型24
• 2.7 双体卫星的动力学建模24-34
• 2.7.1 载荷平台与卫星主体结构的平移动力学模型25-26
• 2.7.2 载荷平台的姿态动力学模型26-29
• 2.7.3 卫星主体结构的姿态动力学模型29-30
• 2.7.4 力执行器阵列分布设计30-34
• 2.8 小结34-35
• 第3章双体卫星的控制系统设计35-65
• 3.1 引言35
• 3.2 双体卫星控制系统概述35-37
• 3.2.1 载荷平台控制系统概述35-36
• 3.2.2 卫星主体结构控制系统分析36-37
• 3.3 双体卫星控制系统建模37-57
• 3.3.1 载荷平台的姿态控制模型37-46
• 3.3.2 卫星主体结构的姿态控制模型46-48
• 3.3.3 载荷平台与卫星主体结构的相对位置控制48-53
• 3.3.4 载荷平台分配控制律设计53-57
• 3.4 双体卫星控制系统的PID参数设计57-64
• 3.4.1 双体卫星仿真实物的尺寸参数57
• 3.4.2 载荷平台姿态控制系统的PID控制律设计57-60
• 3.4.3 卫星主体结构姿态控制系统的PID参数设计60-62
• 3.4.4 双体卫星相对位置控制系统的PID参数设计62-64
• 3.5 小结64-65
• 第4章 双体卫星控制系统的仿真分析65-71
• 4.1 引言65
• 4.2 双体卫星姿态指向特性仿真分析65-67
• 4.3 双体卫星相对位置控制系统的仿真67-69
• 4.4 双体卫星隔振特性的仿真分析69-70
• 4.5 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-75
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文75-77
• 致谢77

【参考文献】

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

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中国硕士学位论文全文数据库 前1条

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本文编号：897598