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星上运动部件指向的跟踪控制方法研究

作　者: 李铭宽
导　师: 付艳明
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 指向跟踪 拉格朗日方程 模型参考输出跟踪控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


当前航天技术迅猛发展，促使航天器的用途向更高端更多元化发展，本文讨论的卫星系统便是在卫星平台上搭载刚性运动部件的一类刚柔混合动力学系统。文中对该系统进行动力学建模与分析并完成对空间中运动目标的指向跟踪控制律设计和仿真验证，为空间复杂航天器的发展提供技术支持。本文重点研究以下三个方面的内容。(1)建立搭载运动部件的卫星系统耦合动力学模型。搭载运动部件的卫星系统是由带有太阳帆板的中心星体搭载可旋转的运动部件组成的，因此在建立模型时，首先要解决的就是运动部件与中心星体的耦合问题。本文运用分析力学中的拉格朗日方程法建立耦合动力学模型，以便导出力矩与姿态之间的运动方程式。建模时要考虑的另一个重要因素是太阳帆板的振动对星体姿态的影响，文中运用集中质量法模拟帆板的振动，并结合已经建立的动力学模型得到了整个系统的耦合动力学模型。(2)对卫星耦合动力学模型进行分析和仿真。这部分内容分为两部分，一部分是讨论外部干扰对系统的扰动力矩分析，外部干扰力矩有空间环境力矩，重力梯度力矩，液体晃动力矩等。另一部分是系统耦合动力学模型的特性分析，主要是通过仿真观察星体转动引起的太阳帆板振动影情况，和中心星体与运动部件的运动耦合关系。(3)设计搭载运动部件的卫星系统控制律并进行仿真验证。由于搭载运动部件的卫星系统要完成特定的跟踪任务，因此本文运用模型参考输出跟踪控制方法，把目标的运动轨迹化为参考模型的输出，通过状态反馈等手段使系统的输出跟踪参考模型的输出，已达到跟踪目标运动的目的。本文用三个实例验证模型参考输出跟踪控制的效果，这三个实例分别为目标直线运动、目标曲线运动和目标伴飞运动三种情况。通过仿真分析可知所设计的跟踪控制器可以使系统达到要求的性能指标。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第1章 绪论  8-14
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  8-9
    1.1.1 课题来源  8
    1.1.2 研究的目的和意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-13
    1.2.1 卫星姿态动力学研究现状  9-10
    1.2.2 卫星运动控制研究现状  10-13
  1.3 本论文研究的主要内容  13-14
第2章 搭载运动部件的卫星系统动力学建模  14-36
  2.1 引言  14
  2.2 空间飞行器姿态角  14-16
  2.3 搭载运动部件的卫星系统运动学模型  16-20
    2.3.1 星体自由漂浮时卫星系统运动学模型  18-20
    2.3.2 星体姿态受控时的卫星系统运动学模型  20
  2.4 搭载运动部件的卫星系统耦合动力学模型  20-22
  2.5 带有太阳帆板的卫星系统动力学建模  22-30
    2.5.1 簇状结构空间飞行器  22-24
    2.5.2 带有太阳帆板的空间飞行器  24-27
    2.5.3 卫星系统动力学方程的求解  27-30
  2.6 空间飞行器的执行机构  30-35
  2.7 本章小结  35-36
第3章 卫星系统耦合动力学模型分析  36-45
  3.1 引言  36
  3.2 卫星系统的扰动力矩分析  36-37
    3.2.1 载荷释放对系统的影响  36
    3.2.2 空间环境力矩对系统的影响  36-37
  3.3 液体晃动对系统的影响  37-38
  3.4 卫星系统姿态变化对太阳帆板的影响  38-42
  3.5 星体与运动部件耦合动力学分析  42-44
  3.6 本章小结  44-45
第4章 搭载运动部件的卫星系统控制律设计  45-75
  4.1 引言  45
  4.2 模型参考输出跟踪系统设计  45-52
    4.2.1 模型参考跟踪问题的描述  45-46
    4.2.2 模型参考跟踪问题的求解  46-48
    4.2.3 卫星系统的执行器设计  48-49
    4.2.4 系统的模型参考控制律设计  49-52
  4.3 目标直线运动时的控制律设计与仿真验证  52-61
    4.3.1 系统控制律设计  53-54
    4.3.2 优化与仿真验证  54-61
  4.4 目标曲线运动时的控制律设计与仿真验证  61-68
    4.4.1 系统控制律设计  61-62
    4.4.2 优化与仿真验证  62-68
  4.5 目标伴飞时的控制律设计与仿真验证  68-74
    4.5.1 系统控制律设计  68-70
    4.5.2 优化与仿真验证  70-74
  4.6 本章小结  74-75
结论  75-76
参考文献  76-80
攻读学位期间发表的学术论文  80-82
致谢  82

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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