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卫星快速姿态机动技术研究

刘斌  
【摘要】:随着航天技术的发展,对卫星姿态控制系统的要求越来越高。同时航天实践的不断深入,对空间飞行器快速机动技术的需求日益增强,具备快速机动能力的卫星成为未来航天器的重要发展方向之一。 滑模变结构控制由上世纪50年代前苏联Emelyanov首先提出。由于滑模变结构控制对系统参数摄动和外界扰动的不变性,即完全鲁棒性,这一突出优点引起了人们的极大关注。滑模变结构响应快,对系统参数和外部干扰呈不变性,可保证系统时渐进稳定的。尤其可贵的是其算法简单,易于工程实现。经过50多年发展,滑模变结构控制已广泛应用于机器人、工业控制、航空航天等控制领域。 为了探索卫星姿态控制的新方法,根据卫星姿态机动控制的要求和特点,本文以卫星姿态控制系统为研究对象,分别研究两种利用四元数数学模型描述的姿态控制律:1、利用反作用飞轮的PD经典姿态机动控制律;2、使用飞轮和推力器组合的滑模变结构姿态控制律。并且通过数学仿真和半物理仿真试验验证了所设计的控制律的正确性和有效性。 首先,在论文中根据已有的空间飞行器姿态运动的知识,引入几种常用的参考坐标系及其相互的转换关系,介绍了卫星姿态描述方法,给出了使用四元素的方式描述飞行器姿态的运动学方程,并且给出了动力学方程,组成飞行器姿态运动的完整数学模型。 其次,从工程实际角度出发,利用姿态四元数反馈控制的方法,设计利用飞轮系统作为执行机构的卫星快速姿态机动的PD控制律,并对其进行仿真验证。同时基于Lyapunov理论,直接利用机动飞行的目标四元数和卫星的姿态四元数之差设计变结构控制律的切换函数,同时能够保证系统的滑动模态,亦即四元数偏差是稳定的。然后依据给出的切换函数,设计出使用飞轮和推力器组合的变结构控制律。文章中利用所得的控制律针对一组参数进行数学仿真,仿真结果说明了方法的有效性。 最后,本文介绍了在研究所现有卫星姿态控制半物理仿真平台的基础上,开发基于反作用飞轮和飞轮+推力器组合的单轴快速姿态机动试验系统,通过半物理仿真试验结果证实了理论分析和系统设计的可行性,一方面对以使用飞轮作为执行机构的PD姿态机动控制律和使用飞轮和推力器组合的滑模变结构姿态控制方案进行了验证;另一方面为卫星姿态控制仿真试验室建设和发展做出了贡献。


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