3D剛體擺的魯棒控制器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)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(lái)的一種簡(jiǎn)化模型，可以將其視為一個(gè)剛體繞固定且摩擦近似為零的支點(diǎn)在偏航、俯仰和滾動(dòng)三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并且受到恒重力、萬(wàn)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(diǎn)正下方時(shí)，3D剛體擺處于懸垂姿態(tài)平衡;重心位于支點(diǎn)的正上方時(shí)，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(shí)驗(yàn)室研究剛體復(fù)雜旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)與控制問(wèn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
　　本文在分析3D剛體擺的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，在平衡點(diǎn)附近對(duì)3D剛體擺的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行線(xiàn)性化處理。針對(duì)線(xiàn)性化后的動(dòng)力學(xué)方程，考慮到其參數(shù)可能存在的不確定性，對(duì)這種不確定性進(jìn)行了詳細(xì)分析。隨后研究了3D剛體擺的魯棒控制問(wèn)題，詳細(xì)介紹了H∞控制理論與算法，針對(duì)3D剛體擺的懸垂穩(wěn)定情況設(shè)計(jì)了一種狀態(tài)反饋H∞控制律，運(yùn)用線(xiàn)性矩陣不等式方法求解得到魯棒控制器。在MATLAB中對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真并與PI

3、D控制器作比較分析，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的狀態(tài)反饋H∞控制器對(duì)3D剛體擺的姿態(tài)控制具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力。
　　實(shí)驗(yàn)研究是將控制方法的理論研究用于實(shí)際工程的橋梁。文中分析了3D剛體擺的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停O(shè)計(jì)了一種以3個(gè)彼此正交的零動(dòng)量飛輪為主要控制力矩的實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)，討論了飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)可能對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生的干擾力矩，并分析得出避免飛輪干擾的實(shí)現(xiàn)方法。應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)了一種傳統(tǒng)的PID控制器，同姿態(tài)測(cè)量傳感器和實(shí)驗(yàn)臺(tái)本體一起