敏捷衛(wèi)星姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)與穩(wěn)定控制方法研究.pdf

1、隨著航天技術(shù)的發(fā)展,對(duì)特定目標(biāo)長(zhǎng)時(shí)間凝視、單線陣相機(jī)立體成像為代表的航天任務(wù)都要求衛(wèi)星具有敏捷性。姿態(tài)敏捷性包括姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)、姿態(tài)快速穩(wěn)定以及機(jī)動(dòng)過程中保持穩(wěn)定三種能力,不同的任務(wù)對(duì)衛(wèi)星敏捷性有不同的要求。根據(jù)上述特殊性,本學(xué)位論文著重圍繞時(shí)間最優(yōu)姿態(tài)機(jī)動(dòng)軌跡規(guī)劃、推力器-飛輪和控制力矩陀螺-飛輪的聯(lián)合控制算法和柔性敏捷衛(wèi)星的控制問題展開深入研究,主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分:
　　敏捷衛(wèi)星時(shí)間最優(yōu)姿態(tài)機(jī)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)?；谂潼c(diǎn)法求解出時(shí)

2、間最優(yōu)姿態(tài)機(jī)動(dòng)軌跡,并得到時(shí)間最優(yōu)姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制力矩相繼控制切換的性質(zhì)。在忽略陀螺力矩項(xiàng)的前提下,推導(dǎo)了終端角速度為零所需要滿足的條件,并結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的近似解,提出了一種計(jì)算效率很高的準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)的軌跡規(guī)劃方法,并對(duì)計(jì)算不準(zhǔn)確所帶來的機(jī)動(dòng)殘差提出了快速末端校正方法。最后,在不增加計(jì)算量的情況下,提出使用自動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)優(yōu)選粒子群算法并求解得到準(zhǔn)確的控制切換時(shí)間。
　　推力器與飛輪的聯(lián)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制策略。針對(duì)對(duì)地觀測(cè)敏捷衛(wèi)星大角度快速機(jī)動(dòng)、

3、高控制精度的任務(wù)需求,提出了聯(lián)合推力器與飛輪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制策略,為補(bǔ)償初始狀態(tài)偏差和推力器輸出力矩不準(zhǔn)確所帶來的控制誤差,基于變結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)了兩種姿態(tài)跟蹤控制器。在不損失姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制精度的前提下,對(duì)機(jī)動(dòng)過程中飛輪力矩及轉(zhuǎn)速可能出現(xiàn)的飽和問題提出了相應(yīng)的修正方法。
　　控制力矩陀螺與飛輪的聯(lián)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制策略。針對(duì)控制力矩陀螺與飛輪聯(lián)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制過驅(qū)動(dòng)問題,在建立通用動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了包括控制力矩陀螺奇異性指

4、數(shù)和與轉(zhuǎn)速有關(guān)能量的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),基于受約束的優(yōu)化方法提出了控制分配方法。通過合理的調(diào)整權(quán)重參數(shù),有效地解決了控制過程中飛輪轉(zhuǎn)速飽和以及控制力矩陀螺奇異性等問題。針對(duì)控制力矩陀螺和飛輪的安裝偏差對(duì)控制精度的影響,基于多輸入輸出自適應(yīng)控制理論設(shè)計(jì)了跟蹤控制器,并采用平滑映射原理保證參數(shù)更新不會(huì)使跟蹤控制律出現(xiàn)奇異現(xiàn)象。
　　柔性敏捷衛(wèi)星快速機(jī)動(dòng)穩(wěn)定控制算法研究。針對(duì)單軸敏捷柔性衛(wèi)星的快速機(jī)動(dòng)穩(wěn)定控制問題,將輸入成形和反饋控制聯(lián)合應(yīng)用

5、于柔性附件的振動(dòng)抑制,形成主動(dòng)振動(dòng)抑制策略。同時(shí)為了降低柔性附件模態(tài)變量以及外界干擾的影響,所設(shè)計(jì)的反饋控制器只涉及姿態(tài)信息,并在此基礎(chǔ)上根據(jù)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率和阻尼比信息完成前饋魯棒多模態(tài)輸入成形器設(shè)計(jì)。針對(duì)三軸敏捷柔性衛(wèi)星姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)的控制問題,設(shè)計(jì)了一種僅利用衛(wèi)星本體姿態(tài)角度和姿態(tài)角速度觀測(cè)信息的變結(jié)構(gòu)跟蹤控制器,并對(duì)控制器的穩(wěn)定性進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明。該控制器使得姿態(tài)狀態(tài)跟蹤誤差以及撓性附件的模態(tài)變量從任意的初始狀態(tài)出發(fā)都會(huì)