卫星姿态的磁控制方法研究

论文摘要

由于具备了“更快、更好、更省”等优点,近年来小卫星的研究受到了世界各国的高度重视,成为航天发展的一个重要方向。另一方面,由于磁力矩器具有结构简单、质量轻、功耗低、成本低等特性,直接使用磁力矩器对小卫星进行姿态控制也成为当前的研究热点。本文就对三轴稳定小卫星的姿态磁控制方法进行了研究。与传统控制器不同的是,磁控制力矩受地磁场限制,只能在与地磁场正交平面内产生,即系统在任意时刻都是不完全可控的,致使姿态磁控制没能在实际中得到广泛应用。本文则考虑了磁控制力矩产生的方向性约束和所受到的空间干扰力矩,建立了磁控小卫星的系统模型,分别针对不同飞行任务设计了四种磁控制律,并对它们进行了数学仿真验证和结果分析对比。首先,本文在研究了周期线性系统特性的基础上,针对卫星的周期线性系统模型,基于LQR方法设计了周期时变控制律并通过数学仿真验证了其控制性能;接着为了减少计算量,同样基于LQR方法设计了定常增益反馈控制器,并利用周期系统的Floquet定理对其稳定性进行了分析,仿真结果同样表明了该控制器的有效性和实用性。为了增强系统的鲁棒性,本文结合预测控制中的在线滚动优化原理,针对卫星的离散系统模型,设计了控制力矩受地磁场线性约束时的预测控制律,并分析了其稳定性。数学仿真表明了该控制算法有着稳态精度高,干扰抑制能力强等优点。考虑卫星在完成姿态机动任务时的强非线性,本文最后研究了滑模控制在卫星姿态磁控制中的应用。通过研究滑模控制原理和周期非线性系统稳定性定理,针对卫星的非线性系统模型设计了工程实用的滑模控制律,并结合磁力矩产生的方向性约束对其进行了修正。仿真结果表明,该控制律具有较强的鲁棒性和快速性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及目的
• 1.2 卫星姿态控制系统概述
• 1.2.1 卫星姿态控制系统组成
• 1.2.2 卫星姿态的磁控制研究
• 1.3 磁控理论国内外研究现状
• 1.4 主要研究内容及章节安排
• 第2章 卫星姿态描述和姿态运动模型
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系
• 2.3 卫星姿态描述
• 2.3.1 四元数描述法
• 2.3.2 欧拉角描述法
• 2.3.3 四元数和欧拉角转换关系
• 2.4 卫星姿态运动建模
• 2.4.1 卫星姿态运动学建模
• 2.4.2 卫星姿态动力学建模
• 2.4.3 磁控制力矩建模
• 2.5 近地刚体小卫星的线性化模型
• 2.5.1 姿态运动学方程线性化
• 2.5.2 姿态动力学方程线性化
• 2.5.3 刚体卫星线性化模型
• 2.6 环境模型
• 2.6.1 干扰力矩
• 2.6.2 地磁场模型
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于LQR 的卫星姿态磁控制
• 3.1 引言
• 3.2 周期线性时变系统模型
• 3.2.1 Floquet 定理
• 3.2.2 卫星的周期线性时变系统模型
• 3.3 无限时间调节器设计
• 3.3.1 无限时间LQR 问题
• 3.3.2 周期Riccati 方程解的分析
• 3.3.3 无限时间状态调节器的实现
• 3.3.4 仿真验证和结果分析
• 3.4 定常增益反馈调节器设计
• 3.4.1 Picard 逐次逼近方法
• 3.4.2 周期线性系统的稳定性分析
• 3.4.3 定常增益状态反馈控制器的实现
• 3.4.4 仿真验证和结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于MPC 的卫星姿态磁控制
• 4.1 引言
• 4.2 MPC 概述
• 4.3 MPC 的状态空间分析
• 4.3.1 在线优化问题
• 4.3.2 QR 形式的预测控制
• 4.3.3 MPC 控制律
• 4.4 基于MPC 磁控卫星姿态控制算法实现
• 4.4.1 基于MPC 的卫星姿态磁控制问题
• 4.4.2 控制系统实现及稳定性分析
• 4.4.3 仿真验证和结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于滑模的卫星姿态磁控制
• 5.1 引言
• 5.2 滑模控制和周期非线性系统
• 5.2.1 滑模控制原理概述
• 5.2.2 周期非线性系统稳定性
• 5.3 滑模控制器的设计
• 5.3.1 滑动流形的设计
• 5.3.2 滑模控制律的设计
• 5.4 滑模控制器的修正
• 5.4.1 鲁棒控制律的修正
• 5.4.2 模型误差影响分析
• 5.5 基于滑模的卫星姿态磁控制实现
• 5.5.1 磁控卫星的实用滑模控制器设计
• 5.5.2 仿真验证
• 5.6 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