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挠性航天器的姿态控制及振动抑制研究

作　者: 通雁辉
导　师: 井元伟
学　校: 东北大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 挠性航天器姿态控制振动抑制耦合作用动力刚化滑模变结构控制滑模观测器
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着航空航天技术的不断发展,挠性航天器的姿态控制问题变得越来越重要,人们对挠性航天器的稳定性以及控制精度也提出了更高的要求。在挠性航天器的姿态控制问题中,因为要考虑姿态机动和挠性结构振动之间的耦合作用,从而对控制提出了更大的挑战。本文研究了一类中心刚体带两反对称安装的挠性附件结构的航天器,其模型可用中心-梁系统近似描述。主要工作包含以下几个部分：首先,对挠体建模理论和挠体振动控制理论的发展及研究现状进行了综述,介绍了挠性航天器系统的建模过程和姿态控制方法。其次,针对中心-梁系统,基于混合坐标法的模化方法和Hamilton原理,同时考虑挠性附件轴向和横向变形之间的耦合作用,建立了挠性航天器的分布参数模型,采用假设模态法对系统进行离散化,获得了挠性航天器系统的一阶近似耦合动力学模型,在此基础上推导出便于控制律设计的简化模型,并对挠性航天器的动力刚化现象进行了分析。然后,鉴于滑模变结构控制的强鲁棒性这一优点,应用变结构控制以及Lyapunov方法,对挠性航天器的数学模型进行控制系统设计,利用Matlab中的Simulink工具箱对所设计的控制系统进行仿真,仿真结果表明所设计的控制器不仅能够实现准确的姿态控制,而且对航天器挠性附件的结构振动也起到很好的抑制作用。随后,考虑到在实际控制中并非所有状态都可测这一现实,针对挠性航天器的数学模型,基于Walcott-Zak观测器的基本思想,进行了滑模观测器的设计,同时进行了仿真分析,结果表明所设计的观测器能够有效观测出挠性航天器系统的所有状态,并被应用到所设计的控制器中,取得良好的控制效果。最后,对本文所做的工作进行了总结,并指出有待进一步研究的方向。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题研究背景及意义  10
  1.2 挠性航天器的建模方法  10-12
    1.2.1 挠体系统建模过程  11-12
    1.2.2 挠体系统模型降阶  12
  1.3 挠性航天器的控制方法  12-16
    1.3.1 挠性控制理论的研究现状  12-13
    1.3.2 主动振动控制方法的研究现状  13-15
    1.3.3 智能结构在振动控制中的应用  15-16
  1.4 本文主要工作及结构安排  16-18
第2章挠性航天器的数学模型  18-32
  2.1 预备知识  18-24
    2.1.1 参考坐标系的定义  18-20
    2.1.2 坐标变换方法  20-21
    2.1.3 挠性结构模化方法的确定  21-23
    2.1.4 挠体系统建模原理的选择  23
    2.1.5 挠体系统模型简化  23-24
  2.2 挠性航天器系统建模  24-30
    2.2.1 FOAC模型建立  24-27
    2.2.2 模型离散化  27-29
    2.2.3 阻尼情况下的系统模型  29-30
  2.3 模型处理  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章挠性航天器的滑模控制器设计  32-46
  3.1 滑模变结构控制理论简介  32-38
    3.1.1 滑模控制的基本概念  33-34
    3.1.2 滑动模态的数学描述  34-35
    3.1.3 滑动模态的到达条件  35
    3.1.4 滑动模态的不变性  35-37
    3.1.5 滑模控制的发展现状  37-38
  3.2 滑模控制器的设计  38-42
  3.3 仿真分析  42-44
  3.4 本章小结  44-46
第4章基于滑模观测器的控制器设计  46-58
  4.1 滑模观测器简述  46-48
    4.1.1 Utkin观测器  46-47
    4.1.2 Walcott-Zak观测器  47-48
  4.2 滑模观测器设计  48-52
  4.3 仿真分析  52-57
  4.4 本章小结  57-58
第5章结论与展望  58-60
参考文献  60-66
致谢  66

挠性航天器的姿态控制及振动抑制研究

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