本文關(guān)鍵詞：擾動(dòng)隔離載荷與衛(wèi)星平臺(tái)一體化控制方法研究

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【摘要】：未來(lái)航天任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜,對(duì)衛(wèi)星的指向精度和穩(wěn)定度提出的要求也越來(lái)越高。采用合適的隔振技術(shù)削弱振動(dòng)是提高衛(wèi)星姿態(tài)控制精度的關(guān)鍵技術(shù)。載荷擾動(dòng)隔離(Disturbance-free Payload,DFP)衛(wèi)星從結(jié)構(gòu)上將衛(wèi)星分為載荷艙與平臺(tái)艙,兩艙通過(guò)非接觸磁浮機(jī)構(gòu)連接,將衛(wèi)星有效載荷與振動(dòng)源從物理結(jié)構(gòu)上完全隔離,從而保證載荷的高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制。目前針對(duì)DFP衛(wèi)星的研究主要集中在數(shù)學(xué)建模、隔振性能驗(yàn)證以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,并取得了可觀的成果。與此同時(shí),結(jié)合工程實(shí)際問(wèn)題設(shè)計(jì)性能良好的控制器,對(duì)于實(shí)現(xiàn)DFP衛(wèi)星的高精度姿態(tài)控制也有重要的意義。本論文研究?jī)?nèi)容來(lái)源于航天八院某研究課題“動(dòng)靜隔離式超高指向精度、超高穩(wěn)定度衛(wèi)星控制技術(shù)研究與仿真軟件開(kāi)發(fā)”,在考慮了DFP衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)特性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出能力受限以及環(huán)境擾動(dòng)等工程實(shí)際問(wèn)題的情況下,設(shè)計(jì)了完整的DFP衛(wèi)星一體化控制方案,在避免兩艙發(fā)生碰撞的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了載荷艙高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制。主要包括以下幾方面內(nèi)容:首先,對(duì)DFP衛(wèi)星進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。對(duì)DFP衛(wèi)星工作模式及控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析,在總結(jié)DFP衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特性及控制系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上給出了DFP衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)方程,給出了DFP衛(wèi)星兩艙相對(duì)位置及相對(duì)姿態(tài)解算方法。然后,針對(duì)DFP衛(wèi)星的姿態(tài)控制問(wèn)題,針對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)艙和載荷艙的不同控制需求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分別設(shè)計(jì)了姿態(tài)控制器。針對(duì)載荷艙,在充分考慮空間環(huán)境干擾和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不確定性的條件下,設(shè)計(jì)了一種滿足輸入有界條件且不依賴載荷艙轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的非線性姿態(tài)控制器。該控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn),同時(shí)具有較強(qiáng)的魯棒性。針對(duì)平臺(tái)艙的太陽(yáng)帆板存在抖振的問(wèn)題,基于經(jīng)典控制理論和頻域分析的方法,設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)濾波器及PD控制器使得平臺(tái)艙能夠有效抑制帆板振動(dòng)并跟蹤載荷艙的運(yùn)動(dòng)。接著,針對(duì)DFP衛(wèi)星兩艙相對(duì)位置控制問(wèn)題,設(shè)計(jì)了兩種相對(duì)位置控制器。首先充分利用每個(gè)磁浮機(jī)構(gòu)線圈與磁軛的間隙,考慮磁浮機(jī)構(gòu)線圈與磁軛的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況,設(shè)計(jì)了基于邏輯的離散相對(duì)位置控制器,在實(shí)現(xiàn)兩艙避碰的同時(shí)有效降低了相對(duì)位置控制的頻次。為了進(jìn)一步提高兩艙避碰的安全性,在考慮兩艙受到空間環(huán)境攝動(dòng)影響以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出能力受限的條件下,設(shè)計(jì)了具有L2增益干擾抑制能力的連續(xù)相對(duì)位置控制器,并從理論上證明了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后,結(jié)合姿態(tài)控制器做了六自由度聯(lián)合仿真分析,驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制器及相對(duì)位置控制器的有效性,并能實(shí)現(xiàn)DFP衛(wèi)星載荷與衛(wèi)星平臺(tái)的高精度高穩(wěn)定度一體化控制。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V448.22

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