气浮台的质心调节和姿态跟踪控制系统设计

摘要

航天器在投入使用之前，必须进行严格的地面全物理仿真实验。随着国内外航天事业的不断发展和进步，用来进行航天器地面全物理仿真实验的气浮台的作用变得尤为重要。本文主要以六自由度气浮平台作为研究对象，模拟交会对接过程当中的上升器和轨道器。本文的主要工作是对气浮台姿态平台的质心调节系统和姿态跟踪控制系统进行研究和设计。
　　本文首先通过分析比较，最终采用欧拉角的描述方法对气浮台姿态平台进行运动学和动力学建模。在Matlab的Simulink工具箱中对所建模型进行模块的搭建、程序的编写，并对结果进行对比分析。为文章后续控制器的设计以及实际物理系统的装配和调试打下了基础。
　　其次，建立滑块位移量与质心偏移之间的数学关系，对姿态平台的质心位置进行估计。在此基础上设计了姿态平台质心调节的自适应控制器，并对所设计的控制器进行仿真，分析控制效果，验证其可行性。
　　此外，研究模拟卫星在停靠阶段的姿态跟踪控制问题，因此忽略水平和垂直方向上的运动对气浮台的姿态产生的耦合作用。默认在姿态跟踪控制前，已经完成了对姿态平台的质心调节。在前文建模的基础上，通过姿态误差函数推导出气浮台姿态误差动力学模型，并基于反步法设计鲁棒有限时间姿态跟踪控制器。并对所设计的控制器进行仿真校验，确保其在有限时间内可以快速收敛，并且有效地抑制未知边界的干扰。
　　最后，对整个物理系统的硬件进行选型、测试和搭建，在机械台体上进行安装和器件之间的联合调试。除了台体上的工控机、倾角传感器、陀螺仪、电机、驱动器和直线模组等器件，还选定了无限传输模块用于台上工控机和台下工控机之间的信息交互和传输。此外，对软件系统进行设计，编写相应控制程序。进行全物理仿真试验，在实际工程中验证所设计的控制器的可行性和有效性。

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中文摘要

英文摘要

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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3课题主要研究内容

第2章 气浮姿态平台的运动学及动力学建模

2.1 引言

2.2 坐标系定义

2.3 坐标旋转矩阵的建立

2.4 姿态平台的运动学建模

2.5姿态平台的动力学建模

2.6姿态平台运动学以及动力学模型仿真

2.7本章小结

第3章 质心调节系统控制器设计

3.1引言

3.2质心调节阶段的动态模型描述

3.3系统质心与滑块移动位移的关系

3.4质心调节系统的自适应控制器设计

3.5自适应控制方案的仿真测试

3.6本章小结

第4章 姿态跟踪控制方法研究

4.1引言

4.2姿态跟踪问题的描述

4.3姿态跟踪控制器的设计

4.4姿态跟踪控制器的仿真校验

4.5本章小结

第5章 控制系统的搭建与实现

5.1引言

5.2系统的硬件选型

5.3硬件系统的设计

5.4硬件系统的测试

5.5软件系统设计

5.6全物理实验观测

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的专利

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致谢