小卫星刚—柔耦合多体系统动力学与控制研究

论文摘要

本文以某小卫星为研究对象,重点研究了小卫星刚柔耦合多体系统动力学、二阶系统模型降阶和姿态控制等问题。首先综述了多柔体航天器动力学的研究现状。然后阐述了卫星姿态描述方法和运动学方程,给出了空间环境扰动力矩的计算公式;根据拟坐标拉格朗日方程推导了小卫星多刚体和多柔体动力学方程,并进行了惯性定向和对地球定向两种情况下的线性化处理,仿真分析了转动部件运动、柔性太阳帆板振动与卫星姿态的耦合等问题,得到了一些有用的结论。其次,研究了小卫星动力学模型降阶问题,并对几种常用模型降阶方法进行了比较分析,结果表明降阶模型能够很好地逼近全阶模型。最后,针对转动部件带来的扰动较大,设计了前馈加最优反馈的控制策略,并对控制系统进行了仿真分析,结果表明小卫星姿态误差可以控制在较小的范围内,该策略是有效的。本文进行的多体动力学和控制研究不仅可以用于刚柔耦合小卫星的动力学和控制系统特性分析,而且还可以为航天器相关试验提供必要的理论指导,具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外小卫星发展概况
• 1.3 相关技术国内外研究状况
• 1.3.1 航天器动力学
• 1.3.2 航天器转动部件动力学
• 1.3.3 二阶系统模型降阶
• 1.3.4 航天器姿态控制
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 姿态动力学基本理论和轨道环境
• 2.1 常用坐标系定义和姿态运动学
• 2.1.1 坐标系定义
• 2.1.2 姿态运动学方程
• 2.2 拉格朗日方程
• 2.2.1 第二类拉格朗日方程
• 2.2.2 拟坐标拉格朗日方程
• 2.3 空间环境力矩
• 2.3.1 引力梯度矩
• 2.3.2 气动力矩
• 2.3.3 太阳辐射压力矩
• 2.3.4 地磁力矩
• 2.4 小结
• 第三章 小卫星刚柔耦合多体动力学分析
• 3.1 小卫星多刚体动力学模型
• 3.2 小卫星多柔体动力学模型
• 3.2.1 系统动能
• 3.2.2 太阳帆板的弹性势能
• 3.2.3 重力梯度力矩
• 3.2.4 系统动力学方程
• 3.2.5 动力学方程的线性化处理
• 3.3 数值仿真与结果分析
• 3.3.1 系统参数
• 3.3.2 模型验证
• 3.3.3 转动部件与卫星姿态耦合作用分析
• 3.3.4 柔性太阳帆板与卫星姿态耦合作用分析
• 3.4 小结
• 第四章 小卫星动力学二阶系统模型降阶
• 4.1 一阶系统内平衡降阶
• 4.1.1 线性动态系统
• 4.1.2 平衡截断
• 4.1.3 一阶内平衡降阶算法
• 4.2 二阶系统内平衡降阶
• 4.2.1 二阶稳定系统的内平衡降阶
• 4.2.2 二阶不稳定系统的模型降阶
• 4.3 数值仿真
• 4.3.1 小卫星动力学方程模型降阶结果
• 4.3.2 与其它模型降阶法的比较分析
• 4.4 小结
• 第五章 基于刚柔耦合模型的初步控制研究
• 5.1 线性二次型最优控制
• 5.2 姿态稳定控制器设计
• 5.3 数值仿真
• 5.3.1 不考虑环境扰动
• 5.3.2 考虑环境扰动
• 5.4 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果