三轴稳定挠性卫星的PD及滑模变结构姿态控制方法研究

摘要

由于发射成本及运载能力的限制，现今卫星的结构系统多采用新型轻质材料。它们阻尼低、挠性大，受到外界干扰时易发生振动，从而影响卫星系统的稳定性和有效载荷的正常工作。本文以三轴稳定挠性卫星为被控对象，研究满足卫星姿态机动和稳定的控制方法。
　　 论文在分析挠性卫星姿态动力学的基础上，建立了三轴稳定挠性卫星姿态控制系统的数学模型。针对挠性卫星姿态机动和稳定控制的要求，设计了以下两类姿态控制算法：
　　 (1)挠性卫星的PD反馈姿态控制律。针对控制力矩初始幅值太大的问题，提出了自适应PD反馈的改进方案；针对挠性帆板模态被激发带来的抖振现象，提出了考虑刚挠耦合结构参数的自适应PD反馈控制的改进算法。
　　 (2)具有较强鲁棒性及抗干扰能力的挠性卫星滑模变结构姿态控制律。针对切换控制项中符号函数带来的抖振问题，提出了基于等效控制的模糊滑模变结构的改进方案；针对挠性帆板模态被激发带来的抖振现象，提出了基于输出反馈补偿的滑模变结构控制的改进算法。
　　 最后，对提出的控制算法分别进行了数字仿真。仿真结果表明，改进的控制算法适用于刚挠强耦合的挠性卫星，并具有很好的鲁棒性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

1 绪论

1.1研究目的和意义

1.2卫星控制系统概述

1.2.1卫星姿态控制系统的构成

1.2.2卫星姿态控制的任务

1.3挠性卫星姿态控制

1.3.1挠性卫星姿态动力学概述

1.3.1 挠性卫星的姿态控制方法

1.4本文的主要内容及安排

2三轴稳定挠性卫星姿态控制系统的数学模型

2.1 引言

2.2参考坐标系及姿态参数

2.2.1参考坐标系

2.2.2姿态参数

2.2.3欧拉角与四元数之间的关系

2.3三轴稳定挠性卫星的姿态运动学方程

2.4三轴稳定挠性卫星的姿态动力学方程

2.4.1卫星刚体的无力矩运动

2.4.2力矩响应

2.4.3卫星挠性附件模态分析

2.4.4采用混合坐标法建立的挠性卫星的动力学方程

2.5本章小结

3挠性卫星的PD姿态控制

3.1 引言

3.2挠性卫星的姿态控制模型分析

3.3基于模态补偿的PD控制律设计

3.3.1 问题描述

3.3.2控制律设计

3.4考虑刚挠耦合的PD姿态控制

3.5 自适应PD姿态控制

3.6仿真分析

3.7本章小结

4挠性卫星的滑模变结构姿态控制

4.1 引言

4.2变结构控制系统的描述及基本问题

4.2.1 变结构控制的基本概念

4.2.2滑动模态的存在和到达条件

4.3滑模变结构控制系统的设计

4.3.1滑模控制系统设计的基本方法

4.3.2变结构控制系统的稳定性分析

4.4挠性卫星滑模变结构姿态控制

4.4.1 系统控制要求描述

4.4.2滑模变结构控制律设计

4.5仿真分析

4.6本章小结

5挠性卫星滑模变结构姿态控制的抑振研究

5.1 抖振抑制

5.2模糊滑模控制

5.2.1 Mamdani型模糊控制器组成

5.2.2量化因子及比例因子

5.3挠性卫星的模糊滑模姿态控制

5.4.基于等效控制的输出反馈补偿变结构控制

5.4.1准滑动模态抑振

5.4.2输出反馈补偿抑振

5.5仿真分析

5.6本章小结

6 总结

致谢

参考文献