卫星平台与天线去耦合控制

论文摘要

本论文以具有可展开天线的同步轨道通信卫星为研究对象，解决卫星平台和挠性天线之间具有的动力学耦合问题。研究工作从理论层面提出了动力学去耦合控制的概念和方法，在工程应用层面，对卫星平台与挠性天线动力学去耦合控制的实现展开了深入细致的研究。在工程上，挠性卫星的姿态控制问题还没有彻底得到解决，已经提出的一些方法在具有大型挠性天线的卫星上应用均存在一些不足，所以需要研究新的方案。挠性卫星姿态动力学与控制问题的关键是卫星平台与挠性天线之间存在动力学耦合，并且这种耦合的动力学可控制性很差。在这种情形下，仅仅从控制器设计方面寻求提高姿态控制性能的收效是有限的。目前挠性卫星姿态控制的研究工作多数局限于此，所以不能解决问题。为了解决具有大型挠性天线卫星的控制问题，本文另辟蹊径，采取措施改变控制对象特性，提高被控制对象动力学的可控制性，从而获得更好的控制系统性能。具体工作如下：在深入分析挠性天线与卫星平台动力学特性的基础之上，提出了一个新的概念——动力学去耦合控制，并依据这个概念设计了一个用于连接挠性天线和卫星平台的机构——去耦机构。去合机构的引入在根本上改变了挠性卫星动力学的可控制性。针对具有去耦机构且带有大型挠性天线的卫星建立了动力学模型。推导证明了去耦机构确实能够降低系统动力学耦合。利用对比的方法分析了去耦合与非去耦合系统的能控性程度和能观性程度，定性说明了去耦合系统之所以能够改善卫星平台和挠性天线控制特性的原因。将卫星平台与挠性天线的动力学方程联立，计算去耦合控制系统的特征值迁移性，定量说明了系统控制特性的改善程度。按照工程实现的约束条件，完成了卫星姿态控制系统设计。控制系统采取了预补偿控制和去耦控制的结构。分别以天线相对于惯性空间的绝对角速度和天线相对卫星平台的相对转角为内外回路反馈信号，构成双回路控制系统，以低带宽外回路隔离天线振动，高带宽内回路抑制摩擦力矩。对整星系统的分析说明了此控制系统具有良好的去耦合特性。对去耦合控制与非去耦合控制进行控制性能仿真对比，仿真结果说明去耦合控制满足系统对指向精度和稳定度的要求。进一步，利用整星质心位置不确定条件下的动力学方程，并增加相应的非线性环节来构成较完善的仿真模型，以此为基础来验证去耦合控制系统在不确定因素影响下的有效性，并通过该模型中参数的大范围摄动来检验控制系统的鲁棒性。总之，论文针对具有大型可展开天线卫星开展了卫星平台与天线去耦合控制研究，提出了去耦合控制的新概念，设计完成了去耦合控制的新系统，获得了满意的结果。文中提出的新理论对于挠性卫星姿态控制具有一定的理论意义，所设计的控制系统对我国具有大型可展开天线卫星的工程应用具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 挠性卫星姿态动力学与控制的发展情况
• 1.2.1 挠性卫星姿态动力学建模
• 1.2.2 挠性卫星姿态控制
• 1.2.3 刚-柔耦合动力学问题研究
• 1.2.4 挠性卫星的能控性程度和能观性程度
• 1.3 具有大型空间天线卫星姿态控制的发展情况
• 1.3.1 大型空间可展开天线的发展情况
• 1.3.2 具有大型空间可展开天线卫星的姿态控制
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 卫星平台与天线去耦合控制概念
• 2.1 大型空间可展开天线控制的特殊性
• 2.2 卫星平台与天线动力学去耦合控制概念
• 2.2.1 动力学耦合对卫星平台姿态控制的影响
• 2.2.2 动力学去耦合控制概念
• 2.3 用于挠性附件的连接机构研究
• 2.4 去耦机构设计
• 2.4.1 去耦机构定义
• 2.4.2 去耦机构原理及功能
• 2.4.3 角度测量传感器和直流驱动电机的选择
• 2.4.4 机械部分设计
• 2.4.5 去耦机构安装位置
• 2.5 本章小结
• 第3章 具有去耦机构卫星的动力学建模与去耦合分析
• 3.1 具有去耦机构卫星的动力学建模
• 3.1.1 建模的基本假设条件
• 3.1.2 具有去耦机构卫星的动力学建模
• 3.2 动力学去耦合特性分析
• 3.2.1 无去耦机构卫星动力学耦合关系
• 3.2.2 具有去耦机构卫星的动力学去耦合特性
• 3.3 整星质心位置不确定条件下的动力学模型
• 3.4 可展开天线有限元分析
• 3.4.1 有限元分析参数
• 3.4.2 有限元分析结果
• 3.4.3 模态截断惯性完备性分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 去耦合挠性卫星的控制特性分析
• 4.1 去耦合挠性卫星能控性程度分析
• 4.1.1 能控性和能观性等价定理
• 4.1.2 能控性程度和能观性程度
• 4.1.3 去耦合与非去耦合方法对比
• 4.1.4 特征值迁移性数值验证
• 4.2 去耦合控制挠性卫星的阻尼特性分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 去耦合控制系统设计与分析
• 5.1 系统内外存在的干扰
• 5.1.1 去耦机构轴承摩擦力矩干扰
• 5.1.2 来自空间及可展天线自身的干扰
• 5.2 控制器综合与校正
• 5.2.1 卫星平台控制器综合与校正
• 5.2.2 卫星平台预补偿控制器设计
• 5.2.3 去耦机构控制器综合与校正
• 5.3 整星控制系统特性分析
• 5.3.1 整星控制系统综合
• 5.3.2 单通道控制系统特性
• 5.3.3 控制系统去耦合特性分析
• 5.3.4 三轴耦合验证
• 5.4 本章小结
• 第6章 去耦合控制系统仿真验证
• 6.1 去耦合与非去耦合控制性能仿真对比
• 6.2 不确定性因素影响下控制系统有效性仿真验证
• 6.3 去耦合控制系统鲁棒性仿真验证
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历