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气浮实验平台设计及控制方法研究

作　者: 徐峰
导　师: 宋申民
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 半物理仿真系统 气浮台 姿态动力学与控制 控制力矩陀螺
分类号: V526
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着我国航天技术的发展,空间飞行器的交会对接相关技术的发展迫在眉睫。在空间飞行器的交会对接技术研究过程中,为验证控制系统方案设计的正确性,提高飞行器在轨运行的可靠性,减少飞行器失控的风险,对系统进行半物理仿真试验很有必要。飞行器所在太空环境有两大特点:失重和真空,而地面仿真试验设备处于重力加速度作用下,因此考虑在半物理仿真系统中引入气浮台。气浮台依靠压缩空气在气浮轴承和轴承座之间的间隙形成气膜,使气浮台悬浮,抵消了重力影响的同时实现了近似无摩擦的相对运动条件,以模拟飞行器在外层空间所受干扰力矩极小的力学环境。作为飞行器控制系统物理仿真的核心部件,气浮试验台能够模拟飞行器在轨失重条件下的姿态运动,是在地面条件下研究空间飞行器姿态动力学和控制系统的理想平台。本文对气浮实验台进行了设计与控制方法研究,主要工作如下:首先,建立了气浮台的姿态动力学模型,给出了台体转动惯量的测量方法。其次,针对四自由度气浮平台进行控制系统建模、分析和仿真,并以气浮台单通道的平动为例对控制算法效果进行了验证。针对三自由度气浮平台,以控制力矩陀螺为执行器研究其控制效果。仿真结果表明,所设计的控制系统满足对接试验要求。最后,针对空间飞行器交会对接地面仿真试验系统,完成了目标星相关的结构设计工作,气浮台气路和部分结构的设计工作。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-18
  1.1 课题背景及研究意义  8
  1.2 国内外研究现状及分析  8-16
    1.2.1 交会对接技术的国内外研究历史与现状  8-11
    1.2.2 气浮台的国内外研究历史与现状  11-16
  1.3 本文的主要内容  16-18
第2章 气浮实验台动力学模型建立及分析  18-24
  2.1 相关坐标系的说明  18-20
    2.1.1 坐标系的定义  18-19
    2.1.2 坐标系的变换  19-20
  2.2 气浮实验台姿态描述  20-22
    2.2.1 气浮台姿态运动学方程  20-21
    2.2.2 气浮台姿态动力学方程  21-22
  2.3 气浮实验台转动惯量的确定  22-23
    2.3.1 基于IMU 的转动惯量测量方法  22-23
    2.3.2 误差估计  23
  2.4 本章小结  23-24
第3章 气浮实验台对接仿真控制器设计  24-40
  3.1 喷气推力系统  24-27
  3.2 单通道平动控制回路建模  27-28
  3.3 单通道平动控制仿真  28-39
    3.3.1 未加入白噪声情况下基本PD 控制的仿真  28
    3.3.2 加入白噪声后基本PD 控制的仿真  28-30
    3.3.3 带死区的PID 控制算法  30-31
    3.3.4 基于前馈补偿的PID 控制算法  31-32
    3.3.5 基于过渡过程降低初始误差的PID 控制算法  32-34
    3.3.6 前馈与过渡过程函数相结合的PID 算法仿真  34
    3.3.7 反馈信号的滤波处理  34-38
    3.3.8 综合PD 控制算法仿真  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第4章 单框架控制力矩陀螺系统控制律设计  40-51
  4.1 前言  40
  4.2 单框架控制力矩陀螺工作原理  40-42
  4.3 单框架控制力矩陀螺力学特性及其框架角速率控制律研究  42-49
    4.3.1 外干扰力矩分析  42-43
    4.3.2 框架及伺服电机的动力学模型  43-46
    4.3.3 伺服电机的转速控制  46-49
  4.4 三自由度气浮台转动的控制仿真  49-50
  4.5 本章小结  50-51
第5章 气浮实验台及对接用目标星的系统设计  51-60
  5.1 系统总体组成  51-52
  5.2 测量系统部分结构设计  52-56
    5.2.1 目标星本体设计方案  52
    5.2.2 目标星支撑架结构设计方案  52-55
    5.2.3 相机用转接头结构设计  55
    5.2.4 对接机构的结构设计  55-56
  5.3 气浮台气路部分设计  56-59
    5.3.1 供气系统设计  56-57
    5.3.2 气足的结构设计  57-58
    5.3.3 气足和气浮轴承设计原则  58-59
  5.4 本章小结  59-60
结论  60-61
参考文献  61-66
致谢  66

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天术 > 对接技术
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