應用控制力矩陀螺的衛(wèi)星姿態(tài)控制研究.pdf

1、隨著高精度對地光學遙感、觀測衛(wèi)星在科研、商業(yè)及軍事等方面廣泛的應用，衛(wèi)星的結構越來越復雜，傳統(tǒng)的角動量交換執(zhí)行機構(如飛輪)和不能精確輸出連續(xù)力矩的噴氣式推力器難以滿足上述需求，撓性附件的振動問題以及附件轉動時所帶來的影響必須予以足夠的重視。單框架控制力矩陀螺以其簡單可靠的物理結構、極大的力矩放大能力，成為衛(wèi)星理想的執(zhí)行機構，但其固有的奇異問題對其應用造成了一定影響。因此，本文對應用控制力矩陀螺的衛(wèi)星姿態(tài)控制問題進行了較為深入的研究，主

2、要研究內(nèi)容如下：
　　首先對單個控制力矩陀螺基本原理進行了詳細介紹，對控制力矩陀螺的常見構型進行了簡要分析，并確定金字塔構型的控制力矩陀螺作為下章操縱律設計的基礎，五棱錐構型的控制力矩陀螺因其良好構型特性，作為工程應用的最佳構型。闡述了控制力矩陀螺奇異產(chǎn)生的原理及奇異的分類，作為設計操縱律必須參考的標準。給出了衛(wèi)星姿態(tài)描述各個坐標系的定義，把四元數(shù)作為本文衛(wèi)星姿態(tài)描述參數(shù)并進行了簡化。建立了控制力矩陀螺作為執(zhí)行機構的撓性衛(wèi)星姿態(tài)運

3、動學模型，四元數(shù)運動學模型和撓性姿態(tài)動力學合在一起就構成了本文的撓性衛(wèi)星姿態(tài)運動模型。
　　其次，基于最優(yōu)思想得到新的具有一般性的操縱律形式，可以衍生出多種實用的操縱律，根據(jù)不同初始框架角在操縱律中對控制力矩陀螺的動態(tài)影響的不同，設計了一種求取初始最優(yōu)框架角的方法，保證在控制力矩陀螺運行中能最大限度的遠離奇異。設計了一種新型操縱律即反饋奇異回避操縱律，對回避奇異具有一定作用。提出一種雙混合操縱律，在控制力矩陀螺遠離奇異的同時精確輸

4、出力矩，接近奇異時，又能使控制力矩陀螺逃離奇異，給實際工程中不同操縱律的混合應用帶來極大便利。
　　最后，針對撓性衛(wèi)星在軌飛行時，受到未建模動態(tài)、模型參數(shù)不確定和外干擾力矩的影響，設計了一種帶非線性干擾觀測器的滑模變結構控制算法和帶非線性干擾觀測器的反步控制算法，更便于衛(wèi)星在軌飛行的工程應用。兩種控制算法均具有機動速度快、結構簡單、物理意義明確、參數(shù)便于調(diào)節(jié)等優(yōu)點。在Matlab/Simulink環(huán)境下，以統(tǒng)一的背景對兩種控制算法