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Dissertation for the Master Degree in Engineering
RESEARCH ON THE METHOD OF FLEXIBLE
SATELLITE ATTITUDE RAPID MANEUVER AND
POINTING TRACKING CONTROL
Candidate: Hou Zhili
Supervisor: Prof. Geng Yunhai
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Aerospace Engineering
Affiliation: Research Center of Satellite Tech.
Date of Defence: July, 2013
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
本文针对成像卫星与低轨预警卫星对运动目标进行跟踪拍照的需求,对柔
性卫星快速姿态机动与指向跟踪控制问题进行了研究,主要完成下面的内容:
对适用于快速姿态机动与指向跟踪控制的执行机构进行研究,主要解决了
SGCMG 存在框架轴转速死区的问题,设计了两种避免死区的方法,分别设计
了通过添加零运动避免框架轴转速死区的方法、飞轮与 SGCMG 组成混合执行
机构避免框架轴转速死区的方法。
针对卫星指向跟踪控制仅要求卫星某一轴指向目标点的特点,建立了卫星
机动路径最短的目标坐标系,并且提出了适用于指向跟踪控制的新姿态参数,
建立了基于该参数的运动学方程,该参数的提出能够为指向跟踪控制提供一种
统一、简单的运动学模型,为后面的控制系统设计提供了保证。推导了跟踪控
制的前馈参数,并分析了挠性附件对卫星姿态控制的影响。
以卫星指向跟踪控制模型为基础,针对初始欧拉轴与初始角速度不重合的
卫星姿态控制系统设计了递阶饱和 PD 控制器,针对实际控制系统给出了控制
器参数选取的一般性方法。针对 PD 控制器存在带宽不能过大的限制,设计了
递阶饱和滑模控制器,该控制算法对惯量拉偏有很轻的适应性。
针对离散与延时对控制系统性能的影响,利用 z 变换方法分析了典型的二
阶 PD 控制系统参数选取的制约,并给出了带宽设计的一般性公式,针对含有
延时的 PD 控制系统,利用仿真得出了系统参数之间的制约关系。针对快变的
离散控制系统,对预测控制器进行改进,并设计了单轴预测控制器,最后将其
拓展到三轴姿态控制系统中。
本文设计的连续与离散控制算法都没有直接对附件的振动进行抑制,针对
该问题对输入成型方法进行改进,将其在理论上拓展到含有多个附件耦合的系
统、闭环 PD 控制系统与初始状态不为零的系统。最后用 PD 跟踪控制器与输
入成型控制相结合的方法,该 PD 跟踪控制器并没有直接对力矩限幅,而是通
过对目标轨迹的规划来约束系统的输入,并且在初始角速度为零的前提下,通
过对目标轨迹的成型能够在理论上完全消除附件的振动。
关键词:单框架控制力矩陀螺;指向跟踪控制;递阶饱和滑模控制器;预测控
制;输入成型
I
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
For the requirement that low orbit imaging satellite tracking the moving target,
this thesis does some research on satellite rapid maneuver and pointing tracking
control. The main contents as follows:
Firstly, the actuator SGCMG which is suitable for the satellite with the ability
of rapidly maneuvering is researched, the problem that SGCMG has the minimum
gimbal speed is solved. Two methods are designed to avoid the gimbal dead zone,
one is adding null-motions, and the other is