交会对接地面仿真控制系统设计与实现

论文摘要

中国将于2011年下半年发射“天宫一号”,随着这一消息的宣布,预示着中国航天器交会对接任务已经入实际研发测试阶段。空间飞行器交会对接技术的关键性和战略性凸显,无论从经济上还是时效上,交会对接地面仿真系统都是研究验证航天器最后逼近阶段制导策略的最佳选择。地面仿真系统包括测量部分和控制部分,本文主要针对控制系统部分的双执行机构和控制器的结构进行调试和设计,并分别针对不同的执行机构设计控制律,并进行仿真验证。首先,对于一个地面仿真系统平台来说,执行机构是其制导的动力来源,目前空间飞行器主流的执行机构包括推力器和飞轮两种。针对这两套驱动系统,在软硬件上分别进行设计并调试。其中软件部分重点对通信协议进行设计和实验验证。其次,针对冷喷气驱动系统的原理和特性,选用脉宽脉频（PWPF——Pulse-Width Pulse-Frequency）调节器。给出PWPF调节器的工作原理,在数学上推导出调节器占空比和参数选择之间的关系和规律,并作仿真和实际试验验证。利用PWPF调节器的工作原理和所推导出的占空比与参数的关系,设计控制器,实现冷喷气驱动系统的姿态和位置控制,提高控制精度。再次,对于气浮平台的另一套驱动系统——飞轮驱动系统,推导飞轮系统的工作原理,最终给出带飞轮的刚体小卫星动力学模型。根据其工作原理和动力学模型,针对地面仿真系统三轴姿态控制,设计PID控制器和双环滑模变结构控制器,并作仿真验证。最后,根据双驱动系统的特性,利用其执行机构的冗余性,在仿真系统姿态控制上设计控制分配律。给出地面仿真平台多执行机构控制分配的数学描述。针对特定目标选择分配策略,进行仿真比较。给出多执行机构控制切换策略,与控制分配比较,在实际应用中,取得良好效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 俄罗斯（前苏联）对接技术及其仿真的研究现状
• 1.2.2 美国对接技术及其仿真的研究现状
• 1.2.3 欧洲对接技术及其仿真的研究现状
• 1.2.4 日本对接技术及其仿真的研究现状
• 1.2.5 我国对接技术及其仿真的研究现状
• 1.3 本文的主要内容及结构安排
• 第2章 气浮平台驱动系统结构及软硬件设计
• 2.1 引言
• 2.2 冷喷气驱动系统设计
• 2.2.1 冷喷气驱动系统设计理念
• 2.2.2 冷喷气驱动系统硬件设计
• 2.2.3 冷喷气驱动系统软件设计
• 2.3 飞轮驱动系统设计
• 2.3.1 飞轮的安装
• 2.3.2 单飞轮调试
• 2.3.3 飞轮通讯设计及实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于PWPF的气浮平台喷气控制系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 PWPF调节器工作原理
• 3.2.1 脉冲宽度T
• 3.2.2 间隙宽度T
• 3.2.3 脉冲周期T和脉冲频率F
• 3.2.4 最大脉冲宽度γ和最小脉冲宽度ζ
• 3.3 占空比D与放大系数K的选择
• 3.3.1 脉宽脉频调节器仿真研究
• 3.4 控制系统设计
• 3.4.1 小范围微调PD控制器
• 3.4.2 模糊PWPF调节器设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于飞轮的气浮平台控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 飞轮系统工作原理
• 4.3 基于反馈线性化的三轴PID控制系统
• 4.3.1 控制器设计
• 4.3.2 仿真研究
• 4.4 基于滑模变结构的双环控制系统
• 4.4.1 控制器设计
• 4.4.2 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 复合执行机构控制分配设计
• 5.1 引言
• 5.2 控制分配的原理
• 5.2.1 控制分配数学描述
• 5.3 控制分配方法
• 5.3.1 直接分配法
• 5.3.2 伪逆法
• 5.3.3 链式法
• 5.3.4 二次规划
• 5.4 控制器切换问题研究
• 5.5 仿真研究
• 5.5.1 链式法不同分配策略仿真比较
• 5.5.2 不同分配方法仿真比较
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢