气浮实验平台设计及控制方法研究

摘要

随着我国航天技术的发展，空间飞行器的交会对接相关技术的发展迫在眉睫。在空间飞行器的交会对接技术研究过程中，为验证控制系统方案设计的正确性，提高飞行器在轨运行的可靠性，减少飞行器失控的风险，对系统进行半物理仿真试验很有必要。飞行器所在太空环境有两大特点：失重和真空，而地面仿真试验设备处于重力加速度作用下，因此考虑在半物理仿真系统中引入气浮台。气浮台依靠压缩空气在气浮轴承和轴承座之间的间隙形成气膜，使气浮台悬浮，抵消了重力影响的同时实现了近似无摩擦的相对运动条件，以模拟飞行器在外层空间所受干扰力矩极小的力学环境。作为飞行器控制系统物理仿真的核心部件，气浮试验台能够模拟飞行器在轨失重条件下的姿态运动，是在地面条件下研究空间飞行器姿态动力学和控制系统的理想平台。
　　本文对气浮实验台进行了设计与控制方法研究，主要工作如下：
　　首先，建立了气浮台的姿态动力学模型，给出了台体转动惯量的测量方法。
　　其次，针对四自由度气浮平台进行控制系统建模、分析和仿真，并以气浮台单通道的平动为例对控制算法效果进行了验证。针对三自由度气浮平台，以控制力矩陀螺为执行器研究其控制效果。仿真结果表明，所设计的控制系统满足对接试验要求。
　　最后，针对空间飞行器交会对接地面仿真试验系统，完成了目标星相关的结构设计工作，气浮台气路和部分结构的设计工作。

目录

气浮实验平台设计及控制方法研究

RESEARCH ON DESIGN ANDCONTROL METHOD OF FLOTATIONEXPERIMENT PLATFORMON GROUND SIMULATION

摘要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 交会对接技术的国内外研究历史与现状

1.2.2 气浮台的国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要内容

第2章 气浮实验台动力学模型建立及分析

2.1 相关坐标系的说明

2.1.1 坐标系的定义

2.1.2 坐标系的变换

2.2 气浮实验台姿态描述

2.2.1 气浮台姿态运动学方程

2.2.2 气浮台姿态动力学方程

2.3 气浮实验台转动惯量的确定

2.3.1 基于 IMU 的转动惯量测量方法

2.3.2 误差估计

2.4 本章小结

第3章 气浮实验台对接仿真控制器设计

3.1 喷气推力系统

3.2 单通道平动控制回路建模

3.3 单通道平动控制仿真

3.3.1 未加入白噪声情况下基本 PD 控制的仿真

3.3.2 加入白噪声后基本 PD 控制的仿真

3.3.3 带死区的 PID 控制算法

3.3.4 基于前馈补偿的 PID 控制算法

3.3.5 基于过渡过程降低初始误差的 PID 控制算法

3.3.6 前馈与过渡过程函数相结合的 PID 算法仿真

3.3.7 反馈信号的滤波处理

3.3.8 综合 PD 控制算法仿真

3.4 本章小结

第4章 单框架控制力矩陀螺系统控制律设计

4.1 前言

4.2 单框架控制力矩陀螺工作原理

4.3 单框架控制力矩陀螺力学特性及其框架角速率控制律研究

4.3.1 外干扰力矩分析

4.3.2 框架及伺服电机的动力学模型

4.3.3 伺服电机的转速控制

4.4 三自由度气浮台转动的控制仿真

4.5 本章小结

第5章 气浮实验台及对接用目标星的系统设计

5.1 系统总体组成

5.2 测量系统部分结构设计

5.2.1 目标星本体设计方案

5.2.2 目标星支撑架结构设计方案

5.2.3 相机用转接头结构设计

5.2.4 对接机构的结构设计

5.3 气浮台气路部分设计

5.3.1 供气系统设计

5.3.2 气足的结构设计

5.3.3 气足和气浮轴承设计原则

5.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢