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工学硕士学位论文
变结构控制在挠性航天器姿态快
速机动控制中的应用
硕士研究生: 林谦
导师: 王强教授
申请学位: 工学硕士
学科: 飞行器设计
所在单位航天学院:
答辩日期 2012: 年 11 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Classified Index: TP23
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Dissertation for the Master’s Degree in Engineering
The Application of Variable Structure Control in
Attitude Maneuver of Flexible Spacecraft
Candidate: Lin Qian
Supervisor: Prof. Wang Qiang
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Spacecraft Design
Affiliation: School of Astronautics
Date of Defence: Nov, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
- I -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
现今卫星的结构多采用新型轻质材料。尤其是太阳帆板阻尼小,在外界干
扰时容易发生振动。航天技术的发展要求卫星具备快速机动能力,帆板挠性给
卫星机动的快速性和精度带来困难。本文以三轴稳定挠性卫星为被控对象,研
究卫星姿态快速机动控制,尤其是变结构控制算法。
首先,针对三轴稳定的挠性航天器,分别以欧拉角和四元数法建立了完整
的航天器运动学模型;再以拟坐标拉格朗日方程为理论基础,应用模态分析法
建立混合坐标下的挠性航天器的动力学模型,并分析了干扰力矩。
其次,针对挠性航天器,基于欧拉描述利用频率隔离法设计了 PID 控制算
法,并分析其稳定性和机动应用范围。给出了基于误差四元数的姿态控制模型,
利用 Lyapunov 函数设计了 PID 控制并仿真分析了其机动性能。利用变结构控
制设计了挠性航天器的机动控制律,并分析了最快速机动下变结构参数整定方
法,并进行仿真验证,机动快速性和精度优于 PID 算法。
最后,结合卫星实际应用,考虑卫星常用执行机构及组合使用原则,对变
结构控制算法进行了全方位的拉偏试验,包括推力器拉偏、转动惯量拉偏、挠
性频率拉偏和帆板不同转角下的仿真,拉偏幅度为±20%。仿真结果表明,该
算法有很强的鲁棒性。此外,探讨了利用新的姿态快速机动技术,使用推力器
和飞轮组合使用的方案。仿真可见,采用该组合使用方案后,确实大大提高了
卫星姿态机动的快速性和精度,但是该方案过于依赖卫星姿态动力学建模精
度,限制了其当前在实际工程中的应用。未来,在建模精度进一步提高后,应
该具有有较广阔的应用前景。
关键词:挠性;变结构;姿态机动;快速性;稳定性;
- II -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Nowadays, more and more light material is used in spacecraft, especia ly for
solar arrays. This material is easy to be exited conciliatorily, especially during the
maneuver process. The development of astronautics needs the ability of satellites
improvement, but the flexibility of solar arrays blocks it. The paper mostly
analysisd and designd spacecraft control algorithm for attitude maneuver of
satellites with huge solar arrays, especially based on the