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空间非合作交会接近姿态控制问题研究

作　者: 曲耀斌
导　师: 王常虹
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 空间非合作 姿态控制 四元数 反演滑模控制 扩张状态观测器 控制力矩陀螺
分类号: V448.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 97次
引　用: 1次
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内容摘要


随着空间技术的发展,卫星姿态控制理论在非合作交会接近领域的研究具备了新的意义与需求。本文以空间攻防为课题背景,结合跟踪星负载轴指向目标星的任务要求,主要研究了卫星大角度机动、姿态跟瞄稳定与挠性抑制和使用新型大力矩大动量姿控执行机构三方面的问题。三轴卫星姿态控制本质上要解决的是针对非线性、强耦合模型对象的控制设计问题。在结合实际星体的构型特性后,本文一开始给出了挠性三轴多体卫星动力学模型和分别基于欧拉角、四元数的运动学模型。在此基础上,进行了一系列的方案与算法设计的探索性工作:首先,利用Lyapunov控制律设计方法,对传统的类PD四元数反馈姿态大角度机动策略进行两方面的改造。为摆脱对模型前馈的依赖,引入欧拉轴分解方法,将拟欧拉机动法应用到本课题的设计上,对路径优选的特性进行了机理分析。为解决系统局限在原点稳定和机动快速性缺陷,设计提出了一种改进的四元数反馈姿态机动律。给出了稳定性证明与仿真分析。结果表明,后者为本课题背景下设计方案选择的优先选择。接着,通过对挠性多体三轴稳定卫星模型的显示处理,基于合理假设,设计提出了姿态跟瞄、挠性抑制的反演滑模控制器,并证明了稳定性。进一步的,为处理三轴解耦问题,结合扩张状态观测器的理论,对控制器进行了改造,完成了对不确定项的跟踪补偿。证明新控制器的稳定性后,导出了其参数整定方案。数值仿真结果达到了任务要求,并吻合了前述理论分析。特别的,改造后的方案在挠性抑制和控制精度上具有显著优势。最后,提出了一套组合控制方案,兼顾了改进的四元数反馈机动法与反演滑模+扩张状态观测器方法的过程优点。根据完整任务过程的仿真结果,确立了使用五棱锥型控制力矩陀螺的必要性。分析了执行机构模型与奇异特性,对伪逆加零运动操纵律进行了鲁棒性设计。最终仿真的星体、帆板等的稳定性、稳态性能以及执行机构的输出指标与奇异避免等均达到了任务需求,提升了课题的工程实际意义。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 课题背景、研究的目的与意义  10-11
  1.2 非合作交会接近姿态机动与控制  11-13
  1.3 国内外研究现状  13-16
    1.3.1 复杂卫星姿态快速大角度机动研究现状与分析  13-15
    1.3.2 空间相对姿态控制研究现状与分析  15
    1.3.3 使用控制力矩陀螺进行卫星姿态控制的研究现状与分析  15-16
  1.4 论文的主要研究内容  16-18
第2章 姿态运动学和动力学数学描述与仿真建模  18-24
  2.1 引言  18
  2.2 空间飞行器对象描述  18-20
    2.2.1 空间坐标系定义  18-19
    2.2.2 跟踪星构型  19-20
  2.3 卫星运动学模型  20-21
    2.3.1 基于欧拉角的运动学模型  20
    2.3.2 基于四元数的运动学模型  20-21
  2.4 挠性卫星的动力学模型  21-22
    2.4.1 一般三轴稳定刚体卫星动力学模型  21-22
    2.4.2 加入挠性振动环节的卫星动力学模型  22
  2.5 力学对象模型与仿真数据  22-23
  2.6 本章小结  23-24
第3章 基于Lyapunov 法的大角度机动算法设计  24-39
  3.1 引言  24-25
  3.2 基于姿态四元数反馈的类PD 控制策略介绍  25-26
  3.3 模型独立的拟欧拉轴大角度姿态机动策略  26-31
    3.3.1 模型独立的控制设计思路  26-27
    3.3.2 欧拉轴分解理论  27-28
    3.3.3 控制律与机理分析  28-29
    3.3.4 控制稳定性分析与证明  29-31
  3.4 改进的四元数反馈大角度姿态机动策略  31-33
    3.4.1 控制器改造思路与设计  31-32
    3.4.2 控制稳定性分析与证明  32-33
  3.5 大角度姿态机动仿真与分析  33-38
    3.5.1 一般大角度机动任务过程仿真与比较分析  33-35
    3.5.2 考虑算法局限性的大角度机动仿真与比较分析  35-38
  3.6 本章小结  38-39
第4章 姿态跟瞄快速稳定与挠性抑制算法设计  39-60
  4.1 引言  39
  4.2 挠性多体卫星模型处理与假设  39-41
  4.3 滑模Backstepping 姿态控制器设计  41-43
    4.3.1 Backstepping 控制器设计的基本思想  41-42
    4.3.2 控制器的基本滑模Backstepping 设计  42-43
    4.3.3 控制稳定性分析  43
  4.4 非线性扩张状态观测器（Extended State Observer）理论  43-50
    4.4.1 扩张状态观测器的一般结构与定义  44-45
    4.4.2 三阶扩张状态观测器  45-50
  4.5 基于ESO 的挠性姿态非线性控制器鲁棒设计  50-53
    4.5.1 挠性系统反馈量的ESO 设计  50-51
    4.5.2 新的系统描述下控制器改造与稳定性证明  51-53
  4.6 挠性姿态控制器参数整定方法  53-55
    4.6.1 非线性函数环节  53
    4.6.2 ESO 中增益参数  53-55
  4.7 挠性姿态跟瞄快速稳定仿真与分析  55-59
  4.8 本章小结  59-60
第5章 考虑控制力矩陀螺建模的完整任务过程仿真  60-78
  5.1 引言  60
  5.2 控制力矩陀螺群的建模与构型  60-64
    5.2.1 动力学模型（力矩器）  60-61
    5.2.2 奇异性分析与奇异点的分类判断  61-63
    5.2.3 五棱锥型单框架控制力矩陀螺（SGCMGs）性能指标  63-64
  5.3 五棱锥型控制力矩陀螺的操纵率设计  64-68
    5.3.1 奇异度量设计  64-65
    5.3.2 控制力矩陀螺的伪逆加零操纵律介绍  65-67
    5.3.3 鲁棒伪逆加零运动操纵律  67-68
    5.3.4 喷气饱和卸载设计  68
  5.4 完整过程组合控制设计  68-70
  5.5 完整任务过程控制仿真与分析  70-77
    5.5.1 不考虑执行机构输出限制的5 度机动仿真  71-73
    5.5.2 五棱锥型控制力矩陀螺力学仿真数据  73-74
    5.5.3 使用五棱锥型控制力矩陀螺完成15 度机动仿真  74-76
    5.5.4 控制力矩陀螺操纵律设计性能仿真  76-77
  5.6 本章小结  77-78
结论  78-80
参考文献  80-85
致谢  85

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 制导与控制 > 航天器制导与控制 > 姿态控制系统
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