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飞轮控制小卫星大角度姿态机动控制算法研究

张程  
【摘要】:随着对卫星功能的需求变化越来越快,要求卫星的开发周期尽量缩短。因此小卫星获得了越来越广泛的应用。本文研究由反作用飞轮作为执行机构的刚体小卫星大角度姿态机动控制算法。 论文首先采用姿态四元数作为描述卫星姿态运动的参数,建立了刚体小卫星的姿态运动学方程和动力学方程,在此基础上,系统、深入的研究了基于四元数反馈的姿态机动控制规律。论文首先采用Lyapunov设计方法设计了PD反馈控制律,然后考虑到反作用飞轮和输入控制力矩和最大角动量受限的情况,提出了递阶饱和控制律。考虑到卫星姿态运动模型具有级联的结构,因此采用反步法设计了反馈控制律。对于文章提出的全部控制律均进行了仿真,并对仿真结果进行了对比分析。 针对卫星姿态机动的时间最优控制问题,很少有论文考虑卫星执行机构的动态特性对于最优控制过程的影响。本文考虑卫星执行机构,即飞轮的动态特性,首先采用极小值原理对姿态机动的时间最优控制进行了分析,然后利用伪光谱算法给出了开环最优控制轨迹。为了分析飞轮动态特性对最优控制解的影响,采用同样的方法求解不考虑飞轮动态特性的时间最优控制问题并得到了数值解。另外,为了抑制卫星在轨运动时干扰力矩的影响,设计了闭环反馈控制律用来跟踪时间最优的姿态机动轨迹。最后对仿真结果进行了对比分析。


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