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带挠性太阳帆板的三轴稳定卫星姿态控制系统分析与设计研究

刘镠

  论文以带挠性太阳帆板的三轴稳定卫星为研究对象,目的是将近期发展起来的H_∞鲁棒控制理论应用于卫星的姿态控制,使其姿态满足定向精度要求。论文的另一目的是挠性卫星姿态控制方案研究。作者首先建立了三轴稳定刚体卫星姿态动力学模型,并引入考虑了太阳帆板弹性的挠性卫星姿态动力学模型,然后用经典PD控制和线性二次型最优控制方法分别为刚体卫星的俯仰通道和滚动偏航耦合通道设计了控制律,并作了一定的仿真分析,这为检验后来求得的H_∞鲁棒控制器控制效果奠定了基础。接着,在假定系统中存在诸多不确定性的情况下,设计了刚体卫星H_∞鲁棒控制器。由于鲁棒控制器求取算法复杂,H_∞广义控制对象满足一定前提条件时才有解,加权函数的选取又无标准可依,很大程度上依赖于设计者的实践经验,所以论文采用了扩展系统方法。这种方法易于理解和掌握,它克服了通过选择加权函数使广义控制对象满足条件的抽象性和经验性。它在多变量系统中更显优势。接着作者对经典控制(相对于鲁棒控制而言)和H_∞鲁棒控制的控制效果进行了对比分析,所得结论是求得的H_∞控制器较经典控制律在抑制外部干扰方面有明显优势。它能很好地克服外部常值干扰力矩,不仅使系统姿态较快趋于稳定且使姿态回复到原指向,而PD和线性二次型最优控制虽然能使系统姿态稳定但却使其稳定在新的方向上。不过需要指出的是控制系统的稳定性和性能与系统中存在的不确定性之间存在着矛盾。从仿真结果看,鲁棒控制器满足了系统的鲁棒稳定性但对系统的动态特性却有所削弱。另外,求得的控制器阶数偏高,这是H_∞控制理论存在的普遍问题,还有待进一步研究。对于挠性卫星,作者研究了帆板反对称弯曲振动对卫星姿态的影响。仿真结果表明在原刚体控制律下,太阳帆板振动使卫星的控制力矩和姿态角产生严重超调和振荡。针对这种情况,作者运用经典PD控制加滤波器方法重新设计了控制器。仿真结果表明,相对于经典PD控制方法,此方法使卫星的由于太阳帆板弹性振动引起的姿态严重超调和振荡有所减小。接着,作者通过选取加权灵敏度函数设计了挠性卫星鲁棒控制器。仿真结果表明,此鲁棒控制器控制效果优于经典PD控制,其前提条件是选择恰当的权函数,但权函数选取不是很容易,它在很大程度上依赖于设计者的实践经验。最后作者还简要分析了加权灵敏度函数的参数选取对系统动态性能的影响。论文分为两大部分:1、H_∞控制理论及其在三轴稳定卫星姿态控制中的应用研究;2、挠性卫星动力学模型分析及其控制方案研究。……   
[关键词]:挠性;姿态控制;系统稳定性;H_ ∞鲁棒控制
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:中国人民解放军国防科学技术大学2002年
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