带太阳帆板卫星姿态控制方法研究

论文摘要

大型化、低刚度和挠性化已成为现代航天器发展的一个重要趋势。卫星上安装的太阳帆板的尺寸越来越大,其弹性振动直接影响主体的姿态。如不采取切实有效的控制措施,卫星姿态的指向精度和稳定度很难满足要求。本文以带挠性太阳帆板卫星为研究对象,目的是将近期发展起来的支持向量机理论应用于挠性卫星姿态控制中,以期获得好的姿态控制效果。基于统计学习理论的支持向量机因为具有其他学习机器所没有的优点而得到了广泛关注。目前已经有利用支持向量机进行黑箱系统辨识与控制的相关研究,但还没有出现支持向量机与挠性卫星姿态控制相结合的文献。本文首先建立了带太阳帆板卫星姿态动力学模型,结合实际卫星数据对姿态模型进行了简化。设计了经典的PD控制律,应用该控制律对考虑不同阶模态的模型分别进行了控制仿真,并分析了各阶模态对姿态控制系统的影响。进一步又设计了PD加谐振滤波器的控制方法以对帆板一阶挠性模态振动进行抑制。仿真结果表明,PD加谐振滤波器的控制效果优于单独使用PD控制律的控制效果,有效地减小了一阶模态振动对姿态控制的影响。针对挠性卫星姿态动力学特性复杂、建模不确定性突出等问题,本文重点设计了基于支持向量机的非精确模型的逆模型控制律。首先对该控制算法进行了理论上的分析,并对控制稳定性进行了仿真验证,然后分别在考虑阶跃干扰、周期性干扰的情况下进行了仿真。控制仿真结果证明,该控制律能够使系统具有好的稳态效果和动态品质,有效地减小了挠性模态振动对姿态控制的影响,并对干扰具有一定的抑制能力。考虑实际卫星执行机构力矩输出受限,本文在基于支持向量机的逆模型控制律的基础上又对力矩输出过大难以实现的问题进行了研究。在对逆模型控制方案中的衰减因子在不同值下的仿真结果分析的基础上,分别提出了分段衰减、幂数衰减、输入限幅的控制律。仿真结果表明,以上控制律在系统响应的快速性、稳态效果和所能提供的控制力矩之间达到了好的折衷。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 早期挠性航天器姿态控制
• 1.2.2 现代挠性航天器姿态控制
• 1.3 支持向量机理论基础
• 1.3.1 理论背景
• 1.3.2 机器学习的基本问题
• 1.3.3 复杂性与推广能力
• 1.3.4 结构风险最小化
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第2章 带挠性太阳帆板卫星动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 弹性变形运动的描述
• 2.3 变形体离散方法
• 2.4 分析多体动力学的基本力学原理
• 2.5 带太阳帆板卫星姿态动力学
• 2.5.1 姿态模型
• 2.5.2 卫星物理结构
• 2.5.3 简化模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于经典PD控制律的卫星姿态控制
• 3.1 引言
• 3.2 刚体姿态控制系统的设计
• 3.3 帆板弹性振动对卫星姿态的影响
• 3.4 帆板一阶振型下姿态控制系统设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于支持向量机的挠性卫星姿态控制
• 4.1 引言
• 4.2 支持向量机基本原理
• 4.2.1 线性可分
• 4.2.2 非线性可分
• 4.2.3 支持向量机的优点
• 4.3 基于支持向量机的卫星姿态控制
• 4.3.1 基于支持向量机的逆模型控制算法
• 4.3.2 算法分析
• 4.3.3 逆模型训练测试及更新
• 4.3.4 控制仿真
• 4.4 控制力矩受限下的仿真研究
• 4.4.1 不同衰减因子下的仿真分析
• 4.4.2 分段衰减
• 4.4.3 幂数衰减
• 4.4.4 输入限幅
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢