柔性卫星大角度快速机动稳定控制算法研究

论文摘要

卫星姿态快速机动稳定控制技术是光学卫星三维成像的关键技术之一。本学位论文对携带柔性附件卫星的快速机动稳定控制算法展开了研究,主要完成以下几个方面的工作:建立了卫星姿态动力学单轴模型,引入了适用于卫星快速机动稳定控制的输入成形理论,并分析了各种不同的成形器对频率变化的敏感性。为提高控制系统的鲁棒性,根据整个闭环系统的振动频率和阻尼比信息设计了前馈鲁棒多模态输入成形器,采用了一种基于输入成形和反馈控制联合的主动振动抑制策略。仿真结果表明该策略能成功地抑制柔性附件的振动及减小系统的机动时间,并使系统对参数的摄动具有鲁棒性。为进一步提高输入成形理论对外界干扰的抵抗能力,提出了输出成型和动态变结构输出反馈相结合的控制算法,来实现柔性卫星姿态快速机动与稳定控制。首先,将单轴柔性动力学方程变换为成标准状态空间的形式。其次,研究了输出反馈变结构控制器的滑模平面设计方法。最后在考虑喷气脉冲延迟、参数不确定性和外部干扰的境况下,提出了结合输入成形和变结构控制理论的输出反馈控制算法。仿真结果表明,该控制算法可以减少机动稳定时间,大幅降低在姿态快速机动过程中的柔性附件振动,且对参数摄动具有较强的鲁棒性。针对柔性卫星三轴大角度快速机动控制,提出了一种形式简洁的变结构输出反馈跟踪控制算法。首先,提出了绕欧拉轴机动以“bang-off-bang”运动的形式设计姿态参考轨迹;其次,在柔性卫星动力学方程的基础上推导了柔性卫星相对参考轨迹的姿态动力学方程;最后,设计了变结构输出反馈跟踪控制算法,并证明了该算法的稳定性;数学仿真结果表明该方法能够很好的完成柔性卫星快速姿态机动稳定控制。最后,对本文提出的动态变结构与输入成形联合控制算法以及变结构输出反馈控制算法进行了半物理仿真验证。针对在半物理仿真中柔性等效的问题,提出了一种新的使用反作用飞轮等效柔性附件振动的方法。仿真结果表明了本文所提出控制算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究意义及目的
• 1.3 国内外研究现状及分析
• 1.3.1 快速机动稳定技术的发展现状
• 1.3.2 卫星姿态快速机动稳定方法
• 1.3.3 柔性卫星半物理仿真技术
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 基于闭环输入成形的快速机动稳定算法
• 2.1 引言
• 2.2 动力学方程的建立
• 2.3 基于输入成形的反馈联合控制算法
• 2.3.1 输入成形基本理论
• 2.3.2 输入成形与反馈控制联合控制器设计
• 2.4 数学仿真结果及分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于动态变结构与输入成形的联合控制算法
• 3.1 引言
• 3.2 状态空间形式动力学模型的建立
• 3.3 输出反馈滑动平面的选取方法
• 3.4 动态变结构与输出反馈联合控制器的设计
• 3.5 数学仿真结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于变结构跟踪控制的三轴控制算法
• 4.1 引言
• 4.2 轨迹规划
• 4.3 相对参考轨迹柔性卫星动力学模型的建立
• 4.4 变结构输出反馈跟踪控制器的设计
• 4.5 数学仿真结果及分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 柔性卫星半物理仿真验证
• 5.1 引言
• 5.2 半物理仿真系统组成
• 5.2.1 硬件组成
• 5.2.2 耦合特性考虑
• 5.2.3 环境干扰和星体柔性影响的等效模拟仿真方法
• 5.3 半物理仿真结果及分析
• 5.3.1 动态变结构与输入成形联合控制算法
• 5.3.2 轨迹规划变结构快速机动控制算法
• 5.4 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