應(yīng)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(xué)遙感、觀測衛(wèi)星在科研、商業(yè)及軍事等方面廣泛的應(yīng)用，衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的角動量交換執(zhí)行機(jī)構(gòu)(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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)、極大的力矩放大能力，成為衛(wèi)星理想的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但其固有的奇異問題對其應(yīng)用造成了一定影響。因此，本文對應(yīng)用控制力矩陀螺的衛(wèi)星姿態(tài)控制問題進(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)介紹，對控制力矩陀螺的常見構(gòu)型進(jìn)行了簡要分析，并確定金字塔構(gòu)型的控制力矩陀螺作為下章操縱律設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，五棱錐構(gòu)型的控制力矩陀螺因其良好構(gòu)型特性，作為工程應(yīng)用的最佳構(gòu)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(shè)計(jì)操縱律必須參考的標(biāo)準(zhǔn)。給出了衛(wèi)星姿態(tài)描述各個坐標(biāo)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(jìn)行了簡化。建立了控制力矩陀螺作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的撓性衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)

3、動學(xué)模型，四元數(shù)運(yùn)動學(xué)模型和撓性姿態(tài)動力學(xué)合在一起就構(gòu)成了本文的撓性衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)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(shí)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(shè)計(jì)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(yùn)行中能最大限度的遠(yuǎn)離奇異。設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(shí)際工程中不同操縱律的混合應(yīng)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(shè)計(jì)了一種帶非線性干擾觀測器的滑模變結(jié)構(gòu)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(yīng)用。兩種控制算法均具有機(jī)動速度快、結(jié)構(gòu)簡單、物理意義明確、參數(shù)便于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。在Matlab/Simulink環(huán)境下，以統(tǒng)一的背景對兩種控制算法