气浮台垂向自动调节系统设计及姿态稳定控制

摘要

为了更好地探索和利用太空资源，各种航天器相继被制造出来执行相应的任务。然而，空间环境与地面环境孑然不同，真空、辐射和微重力等条件对航天器提出了严格的要求。太空任务的复杂性和高运行成本使得人们不得已需要在地面对航天器进行测试试验，因此全物理仿真器应运而生。全物理仿真器可在地面完整模拟航天器在轨运行状态，极大地降低了航天器执行任务前的测试成本，也能提高复杂任务的执行效果。为了缩短使用六自由度气浮台进行试验时的准备时间，优化初始状态及提高控制效果，将针对六自由度气浮台的垂向位置控制和姿态稳定控制进行深入研究。
　　本研究主要内容包括：⑴研究垂向气浮轴承工作过程，分析了气浮轴承气隙对运动的阻力因素，同时分析气源输入不稳定因素。选择具体执行机构并建模。将气浮轴承抽象为变质量气腔并建模，并以此为基础建立垂向位置自动调节系统总模型。通过仿真，对模型进行可行性验证及特征分析。⑵采用双阀分段控制方案。根据控制要求，分析了分段控制的参数，并设计了分段开关逻辑及程序。⑶按照提出的双阀控制方案，在细调阶段采用数字增量式PID控制器；在粗调阶段采用模糊PID控制器。在粗调控制中，放弃经验整定的模糊规则，设计了适应度函数，并对遗传优化算法中的各个主要算子进行改进，对规则进行优化处理。而后对控制方案进行综合仿真。⑷研究了六自由度气浮台试验准备阶段及停靠阶段上台体的姿态稳定控制。应用误差四元数建立气浮台上台体的姿态模型。针对抑制外部干扰和迅速稳定的需求，设计新型非奇异快速终端滑模切换函数，并使用反步法推得趋近控制律。采用数值仿真验证此控制算法。

目录

第1章 绪 论

1. 1 课题来源及研究的背景和意义

1. 2 国内外在该方向的研究现状及分析

1. 3 主要研究内容

1. 4 论文具体结构

第2章 垂向位置自动调节系统原理及模型

2. 1 引言

2. 2 垂向气浮轴承原理

2. 3 气浮轴承气膜阻力模型

2. 4 调节比例阀模型

2. 5 气源输入误差分析与补偿

2. 6 垂向位置自动调节系统模型

2. 7 本章小结

第3章 垂向位置自动调节策略研究

3. 1 引言

3. 2 垂向位置自动调节方案

3.3 数字式PID控制算法

3. 4 模糊控制器设计

3. 5 基于遗传算法优化的模糊控制器

3. 6 本章小结

第4章 气浮台姿态稳定控制律研究

4. 1 引言

4. 2 姿态稳定控制系统建模

4. 3 气浮台姿态稳定终端滑模控制律

4. 4 仿真验证

4. 5 本章小结

第5章 系统软硬件设计与实现

5. 1 引言

5. 2 平台硬件系统

5. 3 软件平台开发

5. 4 实验测试

5. 5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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致谢