本文關(guān)鍵詞：帶柔性太陽帆板的航天器姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：大面積柔性太陽帆板是大型航天器常見的安裝部件,在結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)較小的條件下,柔性太陽帆板的低階模態(tài)振動(dòng)會(huì)對(duì)星體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要的影響。如何在考慮帆板低階模態(tài)的條件下進(jìn)行航天器姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì),是實(shí)現(xiàn)星體姿態(tài)精確控制的重要前提。本文針對(duì)帶有單個(gè)柔性太陽帆板的一類航天器姿態(tài)控制問題進(jìn)行了理論建模和控制器策略研究,并建立了單軸氣浮臺(tái)姿態(tài)控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過物理仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了試驗(yàn)研究。首先,將帶有柔性帆板的航天器考慮為剛?cè)峤M合系統(tǒng),在綜合考慮系統(tǒng)剛體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和柔性模態(tài)運(yùn)動(dòng)的條件下,采用拉格朗日建模方法,建立了剛?cè)狁詈献藨B(tài)動(dòng)力學(xué)模型;為降低模型的維數(shù)且保證一定的模型精度,采用模態(tài)截?cái)喾▽?duì)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,在此基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)剛體運(yùn)動(dòng)和模態(tài)運(yùn)動(dòng)之間的耦合關(guān)系的分析,為進(jìn)一步開展控制器的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。其次,結(jié)合撓性航天器姿態(tài)機(jī)動(dòng)過程中的姿態(tài)穩(wěn)定控制問題,設(shè)計(jì)了常用的PD控制器,而后在MATLAB中建立了相應(yīng)的閉環(huán)數(shù)值仿真模型并完成了數(shù)值仿真。針對(duì)仿真結(jié)果中出現(xiàn)的問題,隨后又相繼設(shè)計(jì)了變結(jié)構(gòu)控制器、準(zhǔn)滑模變結(jié)構(gòu)控制器和基于指數(shù)趨近律的變結(jié)構(gòu)控制器。通過對(duì)上述幾類控制器的對(duì)比,分析了各自的優(yōu)劣并詳細(xì)分析了變結(jié)構(gòu)控制中的抖振現(xiàn)象。再次,為改善系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中的不確定性和變結(jié)構(gòu)控制過程中的抖振問題,采用模糊控制與變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合的方法,分別設(shè)計(jì)了柔性航天器常規(guī)模糊變結(jié)構(gòu)控制器和基于趨近律的模糊變結(jié)構(gòu)控制器。理論分析及數(shù)值仿真表明,該控制器充分結(jié)合了模糊和變結(jié)構(gòu)控制器的優(yōu)點(diǎn),能夠有效的解決動(dòng)力學(xué)模型的不確定性以及變結(jié)構(gòu)控制中的抖振問題,并且機(jī)動(dòng)時(shí)間短,對(duì)各階模態(tài)均有很好的抑制效果。為驗(yàn)證所提出控制方法的有效性,本文設(shè)計(jì)并搭建了帶柔性太陽帆板的單軸氣浮臺(tái)姿態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),結(jié)合所提出的控制器數(shù)學(xué)模型,完成了單軸氣浮臺(tái)姿態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)。最后,在考慮不同仿真參數(shù)條件下,對(duì)所提出的控制方法進(jìn)行了全物理實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PID、滑模變結(jié)構(gòu)、模糊變結(jié)構(gòu)控制器能夠有效的對(duì)姿態(tài)進(jìn)行控制,且具有較高的控制精度和合理的響應(yīng)速度,與數(shù)值仿真分析結(jié)果具有較好的一致性。
【關(guān)鍵詞】：單軸氣浮臺(tái) 太陽帆板 撓性航天器 姿態(tài)控制 實(shí)物仿真
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V448.22
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-21
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.2 國內(nèi)外氣浮臺(tái)研究歷史與現(xiàn)狀13-15
• 1.3 撓性航天器的姿態(tài)控制方法研究15-19
• 1.3.1 動(dòng)力學(xué)建模15-16
• 1.3.2 姿態(tài)控制方法16-19
• 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容19-21
• 第2章 帶柔性太陽帆板的航天器的動(dòng)力學(xué)建模21-32
• 2.1 引言21
• 2.2 彈性形變運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述21-22
• 2.3 變形體的離散化方法22-23
• 2.4 帶柔性太陽帆板航天器動(dòng)力學(xué)的基本力學(xué)原理23
• 2.5 帶柔性太陽帆板航天器的動(dòng)力學(xué)模型23-31
• 2.5.1 撓性航天器模型23-29
• 2.5.2 撓性航天器模型的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空間方程模型29-31
• 2.6 本章小節(jié)31-32
• 第3章 撓性航天器PID控制與變結(jié)構(gòu)控制方法研究32-55
• 3.1 引言32
• 3.2 PD控制器32-36
• 3.3 變結(jié)構(gòu)控制36-54
• 3.3.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理37-40
• 3.3.2 撓性航天器的輸出反饋?zhàn)兘Y(jié)構(gòu)控制40-43
• 3.3.3 變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的抖振問題研究43-45
• 3.3.4 撓性航天器的準(zhǔn)滑模變結(jié)構(gòu)控制45-49
• 3.3.5 撓性航天器基于趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制49-54
• 3.4 本章小結(jié)54-55
• 第4章 撓性航天器姿態(tài)控制模糊變結(jié)構(gòu)方法研究55-70
• 4.1 引言55
• 4.2 模糊控制原理55-56
• 4.3 模糊變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)56-69
• 4.3.1 模糊變結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)56-57
• 4.3.2 常規(guī)模糊變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真57-63
• 4.3.3 基于模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真63-69
• 4.4 本章小結(jié)69-70
• 第5章 單軸氣浮臺(tái)仿真系統(tǒng)的搭建70-81
• 5.1 引言70
• 5.2 仿真系統(tǒng)組成70-71
• 5.3 臺(tái)下監(jiān)控計(jì)算機(jī)71-72
• 5.4 氣浮系統(tǒng)72-74
• 5.5 臺(tái)上仿真控制系統(tǒng)74-77
• 5.5.1 測(cè)角模塊74-75
• 5.5.2 轉(zhuǎn)換模塊75-76
• 5.5.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)76
• 5.5.4 電源模塊76
• 5.5.5 控制模塊76-77
• 5.6 基于VC++仿真控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)77-80
• 5.6.1 上位機(jī)和下位機(jī)的基本概念77-78
• 5.6.2 仿真控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能78-79
• 5.6.3 仿真系統(tǒng)操作界面79-80
• 5.7 本章小結(jié)80-81
• 第6章 撓性航天器的實(shí)物仿真與驗(yàn)證81-93
• 6.1 引言81
• 6.2 不同的仿真條件對(duì)仿真系統(tǒng)結(jié)果的影響81-88
• 6.2.1 采樣時(shí)間不同對(duì)仿真系統(tǒng)的影響83-86
• 6.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同對(duì)仿真系統(tǒng)的影響86-88
• 6.3 不同的姿態(tài)控制器對(duì)仿真系統(tǒng)的影響88-92
• 6.3.1 不同的姿態(tài)控制器的實(shí)物仿真88-91
• 6.3.2 仿真結(jié)果的對(duì)比與分析91-92
• 6.4 本章小節(jié)92-93
• 結(jié)論93-95
• 參考文獻(xiàn)95-99
• 致謝99

【參考文獻(xiàn)】

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 寧德金;單軸氣浮臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

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本文編號(hào)：1033709