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基于飞轮与推力器联合控制的卫星快速姿态机动技术研究

作　者: 吴凯
导　师: 李顺利
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 侦察卫星 控制分配算法 快速姿态机动 振动抑制
分类号: V474.27
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


本论文以甚高分辨率军用侦察卫星为背景，研究基于反作用飞轮与推力器联合控制的快速姿态机动问题，针对反作用飞轮能力受限、推力器控制精度不高的缺点，研究联合控制策略、切换分配算法，实现快速机动与快速稳定。研究的内容主要包括以下几个方面：首先采用拉格朗日方程建立了侦察卫星的动力学模型，推导了侦察卫星的运动学方程，并且用矩阵的形式来表示这组动力学方程，为控制系统设计和仿真奠定了基础。结合推力器和反作用飞轮两种不同特点的执行机构，合理地设计了两种执行机构的控制分配方案。推导了考虑推力器控制精度不高和反作用飞轮的输出力矩受限下的切换分配算法，数学仿真验证切换算法的有效性。针对推力器输出是开关型的恒值输出，具有强非线性特性，设计了调频调宽调节器。自动地调制脉冲的宽度和频率，将开关控制量调制成连续量。本文利用了Lyapunov稳定性理论设计了PD控制器和滑模变结构控制器。分别从机动时间、控制精度和稳定度等方面对这两种控制器进行了比较，获得了适用于推力器与反作用飞轮的控制器。太阳帆板振动和星体运动之间的耦合作用，降低了星体的控制精度和稳定度。为了降低这种影响，设计了正位置反馈控制器。它能通过增大系统振动的阻尼，抑制太阳帆板的振动。分别以单自由度和多自由度系统为例进行了数学仿真，验证正位置反馈控制器抑制振动的效果。最后将星体姿态控制器和太阳帆板振动抑制控制器联合起来，组成侦察卫星的复合控制系统，并且引入切换算法，执行机构数学模型和侦察卫星的动力学、运动学模型构成闭环的系统。利用MATLAB软件对整个闭环系统进行了数学仿真。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-16
  1.1 课题研究的背景与意义  9-10
  1.2 国内外军用侦察卫星的发展与研究现状  10-13
    1.2.1 美国军用侦察卫星系统的发展  11-12
    1.2.2 俄罗斯军用侦察卫星系统的发展  12-13
  1.3 国内外快速姿态机动技术的研究现状  13-14
    1.3.1 国外快速姿态机动技术的研究现状  13-14
    1.3.2 国内快速姿态机动技术的研究现状  14
  1.4 本文主要研究的工作  14-16
第2章 卫星动力学建模  16-23
  2.1 引言  16
  2.2 卫星的动力学方程  16-19
    2.2.1 坐标系定义  16
    2.2.2 拉格朗日方程  16-17
    2.2.3 附件 l 的势能、耗散能和卫星本体的动能  17-19
    2.2.4 卫星动力学方程  19
  2.3 侦察卫星的物理参数  19-20
  2.4 卫星运动学模型  20-22
  2.5 本章小结  22-23
第3章 侦察卫星快速姿态机动的控制分配策略  23-42
  3.1 引言  23
  3.2 最优问题的解法  23-30
  3.3 执行机构  30-35
    3.3.1 PWPF调节器的结构及参数  31-33
    3.3.2 飞轮系统  33-35
  3.4 推力器与反作用飞轮联合控制方案  35-37
    3.4.1 推力器与飞轮联合控制的分配算法  35-36
    3.4.2 单轴飞轮故障时控制指令分配方法  36-37
  3.5 仿真验证与分析  37-41
  3.6 本章小结  41-42
第4章 甚高分辨率军用侦察卫星复合控制器设计  42-65
  4.1 引言  42
  4.2 侦察卫星PID控制器设计  42-45
  4.3 滑模变结构控制器设计  45-49
    4.3.1 滑模变结构控制器设计方法  45-46
    4.3.2 侦察卫星滑模变结构控制器设计  46-49
  4.4 仿真验证与分析  49-51
  4.5 正位置反馈控制器  51-57
    4.5.1 单自由度PPF控制器  51-53
    4.5.2 仿真计算与分析  53-54
    4.5.3 多自由度PPF控制器  54-55
    4.5.4 仿真验证与分析  55-57
  4.6 姿态控制与振动抑制的复合控制器  57-64
  4.7 本章小结  64-65
第5章 侦察卫星快速姿态机动技术仿真验证  65-74
  5.1 引言  65
  5.2 仿真平台建模  65-66
  5.3 仿真结果与分析  66-73
  5.4 本章小结  73-74
结论  74-75
参考文献  75-79
致谢  79

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天器及其运载工具 > 人造卫星 > 应用卫星 > 侦察卫星
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