挠性航天器建模与姿态控制系统研究

论文摘要

随着航天技术的发展,越来越多的航天器上开始使用大型挠性结构,如大尺度挠性天线、太阳帆板和大型空间桁架等。在轨运行的挠性航天器的刚体运动将激发柔性附件的弹性变形运动,且两种运动相互耦合,导致航天器的刚柔耦合动力学行为非常复杂。因此研究挠性航天器的动力学模型并设计其姿态控制系统具有重要的意义。本文结合航天科技集团“十五”基础预研项目“复杂机构卫星智能自适应逆控制技术的研究”和国家自然科学基金“一类复杂系统中无源化近似自适应逆控制研究”,以含柔性关节的挠性航天器为对象,对此类航天器的建模、姿态控制及附件振动抑制等问题展开了深入的研究,其研究内容主要包括以下几个方面:一、在分析刚体模型和固支悬臂梁附件航天器模型的基础上,利用拉格朗日动力学方程建立了柔性关节链接悬臂梁附件的挠性航天器动力学模型。并采用假设模态–混合坐标方法,推导了梁式附件的振动方程,将挠性航天器的耦合动力学方程规范化,使之适用于姿态控制系统的分析和设计。进一步的,本文建立了带多个悬臂梁式附件的挠性航天器和带链式多悬臂梁附件的挠性航天器动力学模型。最后简要的分析了航天器执行机构的特性,并根据对象模型设计了PWPF调制器的参数。二、目前被广泛应用的输出反馈姿态控制方法具有结构简单的优点。为了进一步抑制挠性航天器的低频振动,在传统输出反馈控制思想的基础上引入了输入成形方法,并根据输出跟踪控制模型设计了变结构控制器。将该控制器和传统的PD控制策略进行了对比仿真,结果表明所设计控制器的姿态控制精度具有明显的优势,达到了抑制了航天器本体机动所激发的附件振动的设计要求。三、设计了模态状态观测器,使用较少的传感器来估计附件振动的模态。在此基础上,根据最优输出跟踪理论和保性能控制理论,分析并设计了控制受限情况下的参数不确定系统的最优保性能反馈控制控制律。该控制律易通过求解线性矩阵不等式组及其极值优化问题得到,具有较高的控制精度和较好的鲁棒性。四、将智能压电结构应用到附件的主动振动抑制上,此时系统模型变成了多输入系统。首先研究了集中控制方法,在上一部分成果的基础上设计了控制受限的多输入系统的最优保性能反馈控制控制律。其次按照分散控制的局部状态反馈设计思想,设计了状态观测器和局部状态反馈控制律。仿真结果表明两种方法都可以达到姿态控制精度要求并有效的抑制柔性附件的振动。最后根据仿真结果横向的比较了三类四种控制器的控制精度,系统鲁棒性,工程应用价值和局限性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 挠性航天器模型综述
• 1.2.1 国内外挠性航天器动力学模型发展
• 1.2.2 建立航天器动力学方程方法及评述
• 1.2.3 挠性结构描述
• 1.3 挠性航天器姿态控制方法综述
• 1.3.1 自适应控制方法
• 1.3.2 变结构控制方法
• 1.3.3 鲁棒控制方法
• 1.3.4 智能控制方法
• 1.4 柔性结构振动抑制方法综述
• 1.4.1 输入成形与分力合成方法
• 1.4.2 智能材料
• 1.5 本文的内容安排
• 第2章 挠性航天器的动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 挠性航天器的动力学模型
• 2.3 带柔性关节的挠性航天器动力学模型
• 2.3.1 振动的特征模态
• 2.3.2 微分方程
• 2.3.3 模态截断准则
• 2.4 多梁附件的挠性航天器动力学模型
• 2.5 多梁连体附件的挠性航天器动力学模型
• 2.6 模型参数
• 2.7 数值仿真
• 2.7.1 系统的自由振动
• 2.8 脉冲调宽调频（PWPF）调制器
• 2.8.1 PWPF 调制器的特性分析
• 2.9 本章小结
• 第3章 挠性航天器的输出反馈姿态控制
• 3.1 引言
• 3.2 PD 控制器的设计
• 3.3 输入成形器设计
• 3.3.1 零阶振动成形器（ZV）
• 3.3.2 多模态输入成形器
• 3.4 输出反馈变结构控制系统
• 3.5 数值仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 状态反馈姿态控制器及观测器设计
• 4.1 引言
• 4.2 状态观测器的设计
• 4.3 最优输出跟踪控制器设计
• 4.4 最优保性能控制器设计
• 4.5 数值仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 挠性航天器的主动振动抑制控制
• 5.1 引言
• 5.2 集中控制系统的设计
• 5.2.1 最优保性能控制器的设计
• 5.3 分散控制系统的设计
• 5.3.1 局部状态反馈的模态分散控制系统
• 5.3.2 局部状态观测器的设计
• 5.4 数值仿真
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目与获奖情况
• 致谢
• 个人简历