3D剛體擺的魯棒控制器設(shè)計與實驗研究.pdf

1、3D剛體擺（三自由度剛體擺）是由地球靜止軌道航天器(GEO)抽象而來的一種簡化模型，可以將其視為一個剛體繞固定且摩擦近似為零的支點在偏航、俯仰和滾動三個方向轉(zhuǎn)動，并且受到恒重力、萬有引力等作用。3D剛體擺的穩(wěn)定狀態(tài)由重心位置決定，當(dāng)重心位于支點正下方時，3D剛體擺處于懸垂姿態(tài)平衡;重心位于支點的正上方時，3D剛體擺處于倒立姿態(tài)平衡。3D剛體擺是一種廣義的剛體擺模型，是實驗室研究剛體復(fù)雜旋轉(zhuǎn)動力學(xué)與控制問題的典型系統(tǒng)，是地面研究航天器姿態(tài)

2、穩(wěn)定控制的實驗平臺。
　　本文在分析3D剛體擺的運動學(xué)和動力學(xué)模型基礎(chǔ)上，在平衡點附近對3D剛體擺的姿態(tài)動力學(xué)模型進行線性化處理。針對線性化后的動力學(xué)方程，考慮到其參數(shù)可能存在的不確定性，對這種不確定性進行了詳細(xì)分析。隨后研究了3D剛體擺的魯棒控制問題，詳細(xì)介紹了H∞控制理論與算法，針對3D剛體擺的懸垂穩(wěn)定情況設(shè)計了一種狀態(tài)反饋H∞控制律，運用線性矩陣不等式方法求解得到魯棒控制器。在MATLAB中對設(shè)計的控制系統(tǒng)進行了仿真并與PI

3、D控制器作比較分析，仿真實驗結(jié)果表明本文設(shè)計的狀態(tài)反饋H∞控制器對3D剛體擺的姿態(tài)控制具有較強的魯棒性和抗干擾能力。
　　實驗研究是將控制方法的理論研究用于實際工程的橋梁。文中分析了3D剛體擺的實驗?zāi)Ｐ?，設(shè)計了一種以3個彼此正交的零動量飛輪為主要控制力矩的實驗控制平臺，討論了飛輪轉(zhuǎn)動可能對實驗臺產(chǎn)生的干擾力矩，并分析得出避免飛輪干擾的實現(xiàn)方法。應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器設(shè)計了一種傳統(tǒng)的PID控制器，同姿態(tài)測量傳感器和實驗臺本體一起