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

1、隨著航天技術的發(fā)展,對特定目標長時間凝視、單線陣相機立體成像為代表的航天任務都要求衛(wèi)星具有敏捷性。姿態(tài)敏捷性包括姿態(tài)快速機動、姿態(tài)快速穩(wěn)定以及機動過程中保持穩(wěn)定三種能力,不同的任務對衛(wèi)星敏捷性有不同的要求。根據上述特殊性,本學位論文著重圍繞時間最優(yōu)姿態(tài)機動軌跡規(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,主要內容包括以下幾個部分:
　　敏捷衛(wèi)星時間最優(yōu)姿態(tài)機動軌跡設計。基于配點法求解出時

2、間最優(yōu)姿態(tài)機動軌跡,并得到時間最優(yōu)姿態(tài)機動控制力矩相繼控制切換的性質。在忽略陀螺力矩項的前提下,推導了終端角速度為零所需要滿足的條件,并結合運動學方程的近似解,提出了一種計算效率很高的準時間最優(yōu)的軌跡規(guī)劃方法,并對計算不準確所帶來的機動殘差提出了快速末端校正方法。最后,在不增加計算量的情況下,提出使用自動學習機優(yōu)選粒子群算法并求解得到準確的控制切換時間。
　　推力器與飛輪的聯(lián)合執(zhí)行機構控制策略。針對對地觀測敏捷衛(wèi)星大角度快速機動、

3、高控制精度的任務需求,提出了聯(lián)合推力器與飛輪作為執(zhí)行機構的控制策略,為補償初始狀態(tài)偏差和推力器輸出力矩不準確所帶來的控制誤差,基于變結構控制和自適應控制設計了兩種姿態(tài)跟蹤控制器。在不損失姿態(tài)機動控制精度的前提下,對機動過程中飛輪力矩及轉速可能出現(xiàn)的飽和問題提出了相應的修正方法。
　　控制力矩陀螺與飛輪的聯(lián)合執(zhí)行機構控制策略。針對控制力矩陀螺與飛輪聯(lián)合執(zhí)行機構控制過驅動問題,在建立通用動力學模型基礎上,設計了包括控制力矩陀螺奇異性指

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

5、于柔性附件的振動抑制,形成主動振動抑制策略。同時為了降低柔性附件模態(tài)變量以及外界干擾的影響,所設計的反饋控制器只涉及姿態(tài)信息,并在此基礎上根據整個閉環(huán)系統(tǒng)的振動頻率和阻尼比信息完成前饋魯棒多模態(tài)輸入成形器設計。針對三軸敏捷柔性衛(wèi)星姿態(tài)快速機動的控制問題,設計了一種僅利用衛(wèi)星本體姿態(tài)角度和姿態(tài)角速度觀測信息的變結構跟蹤控制器,并對控制器的穩(wěn)定性進行了嚴格的數(shù)學證明。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