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带挠性帆板的卫星姿态控制系统参数优化设计

作　者: 耿磊
导　师: 赵阳
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 人机与环境工程
关键词: 卫星姿态控制 PID控制参数优化挠性帆板遗传算法
分类号: V448.222
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 98次
引　用: 1次
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内容摘要

针对新一代导航卫星的具体特点,提出评价姿态控制系统的性能指标函数是必要的。用超调量、过渡时间、柔性振动抑制、能量最小等指标用来指导姿态控制系统设计,利用遗传算法,以新的性能评价函数为评价指标进行控制系统设计,并进行PID参数优化。本文首先建立了某型卫星的运动模型及刚体动力学模型,并进而基于模态综合方法建立了具有挠性对称帆板附件的挠性多体动力学模型。其次,将刚体卫星模型解耦为俯仰及滚动偏航通道,分别设计PID控制器,并对其控制效果进行仿真校验;通过模态截断方法将挠性多体动力学模型简化得到频域模型,通过对其进行理论分析,运用PD控制律加谐振控制器的方法,对挠性卫星重新进行姿控系统设计,该方法减小了柔性附件振动引起的卫星姿态控制的振荡和超调。而后,对遗传算法的数学模型进行推导及描述,在分析研究选择、交叉及变异算子对优化过程影响的基础上,确定了合适的算子取值;通过分析控制系统的各种性能指标,并定义了隶属度函数将误差积分、能量、超调及过渡时间等指标归一化为无量纲的加权性能指标,用以避免各性能指标的量纲差异引起的权值失效;设计了基于遗传算法的PID参数优化初始状态及优化流程,用于PID参数的自整定。最后,在Matlab环境下,利用遗传算法对Simulink控制模型在不同权值,不同指标函数条件下进行参数优化。仿真结果表明,隶属度函数的定义能够明显消除性能指标量纲差异对权值的影响;优化自整定后的PID控制模型性能指标优化了59.767%,明显消除了振动偏差,降低了控制输出,控制性能得到了明显改善,满足了工程设计要求。由结果表明,使用遗传算法PID参数自整定方法,对卫星的姿态系统具有很好的控制性能,并且克服了传统PID调参困难的缺点。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-20
  1.1 课题研究的目的和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状及分析  10-18
    1.2.1 卫星控制系统  10-16
    1.2.2 PID 参数优化方法  16-18
  1.3 主要研究内容及方案  18-20
第2章卫星姿态描述与动力学建模  20-29
  2.1 引言  20
  2.2 卫星姿态运动学描述  20-25
    2.2.1 坐标系定义  20-22
    2.2.2 姿态描述  22-25
  2.3 刚体卫星姿态动力学建模  25-26
  2.4 挠性卫星姿态动力学建模  26-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章卫星姿态控制系统设计  29-51
  3.1 引言  29
  3.2 PID 控制描述  29-30
  3.3 刚体卫星姿态控制系统设计  30-40
    3.3.1 俯仰姿态控制器设计  31-35
    3.3.2 滚动偏航耦合通道控制器设计  35-40
  3.4 挠性卫星姿态控制系统设计  40-49
    3.4.1 挠性卫星动力学模型简化  40-42
    3.4.2 帆板挠性对卫星姿态的影响  42-45
    3.4.3 挠性卫星姿态控制器设计  45-49
  3.5 本章小结  49-51
第4章挠性卫星姿控系统参数优化设计  51-63
  4.1 引言  51
  4.2 基于遗传算法的参数优化设计  51-56
    4.2.1 基于遗传算法的PID 参数优化  51-54
    4.2.2 控制系统性能指标设计  54-56
  4.3 仿真与分析  56-62
    4.3.1 基于加权求和性能指标的参数优化  56-60
    4.3.2 基于隶属度函数性能指标的参数优化  60-62
  4.4 本章小结  62-63
结论  63-65
参考文献  65-70
致谢  70

带挠性帆板的卫星姿态控制系统参数优化设计

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