基于控制力矩陀螺的侦察卫星快速姿态机动控制研究

摘要

本文以大型甚高分辨率侦察卫星为研究对象,考虑其它执行机构在输出力矩和使用寿命的局限性,设计了以控制力矩陀螺为主要执行机构的控制方案,旨在使大型侦察卫星实现快速、稳定、长寿命的机动控制。
　　本文以拉格朗日方法建立了带有控制力矩陀螺的侦察卫星模型。对于严重影响控制力矩陀螺工作的奇异问题进行探究,分析模拟了常见的几种操纵律,给出它们实际克服奇异的效果。
　　综合考虑本文研究的需要,采用基于鲁棒逆操纵律作为基本规避奇异方法,同时提出了一种基于变速控制力矩陀螺的多模式切换控制算法。在有效合理避免陀螺输出力矩饱和奇异的前提下,保证陀螺可变速转子能量、转速都能在某稳定状态平衡,从而使得整个框架构型包络合理,便于精确输出力矩从而实现卫星快速姿态机动控制。
　　传统的控制器具有容易实现、工作稳定等优点,但对于大型侦察卫星要实现快速机动,一般控制器能力很局限。本文根据滑模变结构控制理论,结合大型侦察卫星模型,设计滑模变结构控制器对姿态偏差进行控制,进一步提高姿态机动速度。为了减少太阳翼的振动对机动过程的影响,本文采用分布式压电元件作为作动器,根据振动方程设计了应变速率反馈式振动主动抑制控制器。整个控制系统通过仿真验证,结果表明这套控制方案可满足大型侦察卫星快速姿态机动需要。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国外侦察卫星发展状况

1.2.1 美国侦察卫星发展状况

1.2.2 俄罗斯侦察卫星的发展状况

1.3 快速姿态机动研究现状

1.3.1 国外在大角度快速机动控制的研究现状

1.3.2 国内对快速姿态机动研究

1.4 控制力矩陀螺的国内外研究状况

1.4.1 控制力矩陀螺的国外研究状况

1.4.2 控制力矩陀螺的国内研究状况

1.5 变结构控制理论的发展及在卫星控制中的应用

1.6 本文主要研究工作

第2章 侦察卫星动力学建模及动力学分析

2.1 引言

2.2 坐标系的定义

2.3 卫星姿态运动学建模

2.4 侦察卫星的动力学建模

2.4.1 拉格朗日方程

2.4.2 侦察卫星姿态动力学

2.5 本章小结

第3章 控制力矩陀螺系统避免奇异性的方法研究

3.1 引言

3.2 控制力矩陀螺系统基础

3.2.1 控制力矩陀螺作用机理

3.2.2 几种常见的系统构型

3.2.3 奇异性机理

3.2.4 奇异分类

3.2.5 奇异度量

3.3 CMG系统避免奇异性的方法研究

3.3.1 加权伪逆操纵律

3.3.2 广义加权奇异鲁棒逆操纵律

3.3.3 带零运动的操纵律

3.4 数值仿真分析

3.5 本章小结

第4章 VSCMG工作模式切换算法设计

4.1 引言

4.2 切换控制方案设计

4.3 多模式切换算法设计

4.3.1 控制系统模型设计

4.3.2 分配操纵律设计

4.4 数值仿真分析

4.5 本章小结

第5章 侦察卫星的姿态控制器设计

5.1 引言

5.2 滑模变结构姿态控制器设计方法

5.2.1 滑模变结构控制系统的数学描述

5.2.2 滑动模态的存在和到达条件

5.2.3 姿态控制器的设计步骤

5.2.4 控制器的抖振问题分析与处理

5.3 侦察卫星的线性滑模变结构控制器设计

5.4 主动振动控制补偿器设计

5.4.1 基于压电智能元件的主动振动控制方法

5.4.2 应变率反馈补偿器设计

5.5 数值仿真分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

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致谢