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基于五自由度气浮台的卫星绕飞运动仿真

作　者: 安秋南
导　师: 段广仁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 卫星绕飞气浮台自抗扰控制控制冗余分配策略
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 27次
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内容摘要

随着我国对太空的不断探索，卫星等航天器的数量越来越多，系统越来越复杂，检测与维修任务变得十分重要和困难，卫星绕飞在此方面的优势明显。卫星绕飞是指卫星等航天器和另一个空间目标（卫星和空间站等）的相对运动过程，卫星以特定的空间飞行器为中心进行环绕飞行。绕飞运动能够长期重复性地侦查特定的空间飞行器，为航天器的在轨监测，交会对接以及编队飞行等空间活动提供重要信息。地面气浮仿真系统可以真实地模拟卫星等航天器的空间运动，对所设计的控制器进行检测，验证其稳定性和控制精度。在这种背景下，本文以五自由度气浮台为控制对象，设计位姿控制器使其能够完成对某一假想目标的绕飞任务。首先，在相关坐标系中建立了气浮台的数学模型，以及其执行机构――喷气推力器和反作用飞轮的数学模型。仿真结果表明五自由度气浮台的运动具有强非线性以及姿轨耦合等特点。其次，对气浮台绕飞位置控制器进行设计。首先在平动单通道上应用自抗扰控制，针对仿真结果中的缺点对控制器进行改进，改进后的结果表明控制器能够以最短时间达到期望位置。然后对平动过程中的扰动进行了分析，加入扰动后的仿真结果显示控制器能够满足平动单通道绕飞要求。然后，对气浮台绕飞位姿控制器进行设计。首先针对喷气推力器进行姿态控制器的设计，并分析了气浮台在姿态运动中受到的干扰，仿真结果显示气浮台姿态以较短时间便达到期望位置；而后对飞轮进行姿态控制器的设计，结果显示飞轮对姿态的控制精度要高于推力器；最后针对执行器冗余设计了一种控制器分配策略，即在需要大角度机动时使用推力器，中度偏差时使用混合控制，小角度时使用飞轮。最后介绍了绕飞双通道的难点，解耦后运用自抗扰控制器实现了对平面上某目标的绕飞。最后，通过实例仿真验证了绕飞位姿控制器的可行性与控制精度，结果表明所设计的控制器能够克服气浮台多通道间的耦合作用，准确完成绕飞任务。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景及研究意义  9-10
  1.2 国内外的研究现状  10-14
    1.2.1 卫星绕飞的研究现状  10
    1.2.2 气浮仿真实验台的研究现状  10-14
  1.3 论文主要研究内容及结构安排  14-16
第2章气浮台模型的建立及分析  16-29
  2.1 引言  16
  2.2 气浮台的数学建模  16-24
    2.2.1 坐标系定义及变化  16-17
    2.2.2 气浮台运动学模型  17-18
    2.2.3 气浮台动力学模型  18-23
    2.2.4 气浮台状态方程建立  23-24
  2.3 喷气推力器数学模型  24-26
  2.4 气浮台开环控制特性分析  26-28
    2.4.1 平移通道间的耦合  26
    2.4.3 姿态通道间的耦合  26-27
    2.4.4 平移通道与姿态通道间的耦合  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章气浮台绕飞位置控制系统设计  29-42
  3.1 自抗扰控制器  29-31
  3.2 位置控制器设计及仿真  31-33
  3.3 位置控制器改进及仿真  33-41
    3.3.1 位置控制器改进  33-38
    3.3.2 单通道未加入干扰阻力仿真  38
    3.3.3 单通道加入干扰阻力仿真  38-40
    3.3.4 双通道平动绕飞仿真  40-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章气浮台绕飞位姿联合控制系统设计  42-61
  4.1 气浮台绕飞姿态控制系统设计及仿真  42-54
    4.1.1 喷气推力器系统设计及仿真  42-47
    4.1.2 反作用飞轮系统设计及仿真  47-51
    4.1.3 复合控制系统设计及仿真  51-54
  4.2 气浮台绕飞位姿联合控制及仿真  54-60
    4.2.1 气浮台位姿耦合分析  54-55
    4.2.2 双通道输入输出解耦  55-57
    4.2.3 气浮台绕飞位姿联合控制仿真  57-60
  4.3 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-66
致谢  66

基于五自由度气浮台的卫星绕飞运动仿真

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