【摘要】：空間科學(xué)是當(dāng)今自然科學(xué)重大發(fā)現(xiàn)與突破不斷涌現(xiàn)的熱點(diǎn)學(xué)科。空間科學(xué)任務(wù)的實(shí)現(xiàn),需要通過(guò)科學(xué)衛(wèi)星搭載有效空間載荷進(jìn)行科學(xué)探測(cè)試驗(yàn)。獲取高質(zhì)量的空間探測(cè)數(shù)據(jù)需要具有高精度高穩(wěn)定度的空間平臺(tái)。目前衛(wèi)星在軌運(yùn)行能源系統(tǒng)仍包含太陽(yáng)帆板等撓性附件,導(dǎo)致衛(wèi)星振動(dòng)并傳導(dǎo)至載荷,使載荷觀測(cè)精度受到很大影響。雙體衛(wèi)星在物理結(jié)構(gòu)上將載荷與衛(wèi)星平臺(tái)完全分離,使平臺(tái)的振動(dòng)不會(huì)影響載荷的指向精度,為高精度高穩(wěn)定度空間觀測(cè)提供了可能。本論文主要針對(duì)雙體衛(wèi)星系統(tǒng),考慮輸入受限,進(jìn)行雙體衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)以及相對(duì)位置控制研究。主要研究?jī)?nèi)容有:針對(duì)雙體衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)問(wèn)題,分析了雙體衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)特性,對(duì)非接觸磁浮機(jī)構(gòu)原理和工作特性進(jìn)行了分析和說(shuō)明,對(duì)雙體衛(wèi)星工作模式進(jìn)行了分類。建立常用坐標(biāo)系以及雙體衛(wèi)星特有的載荷艙和平臺(tái)艙本體坐標(biāo)系。在此基礎(chǔ)上,建立了載荷艙和平臺(tái)艙數(shù)學(xué)模型。針對(duì)雙體衛(wèi)星避碰的需求,建立載荷艙質(zhì)心和平臺(tái)艙質(zhì)心的相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)方程,并推導(dǎo)得到磁浮機(jī)構(gòu)線圈與磁鋼的相對(duì)位置動(dòng)力學(xué)模型,分析了兩艙質(zhì)心相對(duì)位置動(dòng)力學(xué)方程和磁浮機(jī)構(gòu)線圈與磁鋼的相對(duì)位置動(dòng)力學(xué)的相關(guān)關(guān)系,建立載荷艙姿態(tài)與兩艙相對(duì)位置位姿一體化動(dòng)力學(xué)方程。針對(duì)雙體衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程中存在的最大角加速度和最大角速度約束,為了克服角加速度突變對(duì)穩(wěn)定性的影響,設(shè)計(jì)了一種角加速度連續(xù)的正弦角加速度曲線機(jī)動(dòng)路徑。并以設(shè)計(jì)的正弦機(jī)動(dòng)路徑為期望目標(biāo),設(shè)計(jì)載荷艙和平臺(tái)艙姿態(tài)跟蹤PD控制律以及兩艙相對(duì)位置PD控制律。根據(jù)磁浮機(jī)構(gòu)構(gòu)型配置,設(shè)計(jì)基于偽逆的控制分配策略,建立磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)際輸出力模型。為了進(jìn)一步提高兩艙相對(duì)位置控制精度,根據(jù)磁浮機(jī)構(gòu)線圈與磁鋼的相對(duì)位置動(dòng)力學(xué)模型,設(shè)計(jì)了基于指數(shù)趨近律的兩艙相對(duì)位置滑模控制律。通過(guò)數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證了正弦角加速度曲線的動(dòng)態(tài)性能以及兩種相對(duì)位置控制方案的有效性。針對(duì)載荷艙輸入受限問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于反正切函數(shù)的非線性反步姿態(tài)控制器,通過(guò)控制增益的選取,可以預(yù)設(shè)控制力矩的上界。為了進(jìn)一步提升兩艙協(xié)同機(jī)動(dòng)能力,考慮兩艙相對(duì)位置與相對(duì)姿態(tài)的耦合,基于位姿一體化動(dòng)力學(xué)方程,設(shè)計(jì)了一種控制輸入受限條件下的自適應(yīng)滑�？刂坡伞Ｗ詈笸ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的控制器能夠使得雙體衛(wèi)星在輸入受限情況下能以較短的過(guò)渡時(shí)間到達(dá)期望姿態(tài),完成快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)。
【圖文】：

雙體衛(wèi)星結(jié)構(gòu)模型，該模型也是將傳統(tǒng)衛(wèi)星的載荷艙與平臺(tái)艙分離，通過(guò)非接觸的磁浮機(jī)構(gòu)和傳感器連接兩艙，平臺(tái)艙作為服的高精度指向服務(wù)。星的概念新穎，但其中還包含著很多技術(shù)問(wèn)題亟待解決，主要有[3]、磁浮機(jī)構(gòu)輸出飽和[4]、柔性電纜和反電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)對(duì)載荷艙精。本文正是基于雙體衛(wèi)星這一新型衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，為了為光學(xué)載荷提環(huán)境，研究雙體衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)行模式以及姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制外研究現(xiàn)狀探測(cè)器發(fā)展及技術(shù)需求學(xué)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，很大程度上依賴于航天技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)航天器荷，進(jìn)行科學(xué)探測(cè)以及科學(xué)試驗(yàn)。空間飛行器是空間科學(xué)發(fā)展的學(xué)計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)離不開科學(xué)衛(wèi)星的支持。

良好的抑制效果[9]。主動(dòng)隔振系統(tǒng)示意圖如圖 1-3 所示，系統(tǒng)的剛度參數(shù)和參數(shù)通過(guò)主動(dòng)反饋控制進(jìn)行調(diào)整以提高隔振效率。文獻(xiàn)[10]通過(guò)壓電陶瓷片的相對(duì)位置傳感器進(jìn)行主動(dòng)位置反饋，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)阻尼控制，但主動(dòng)控制對(duì)定的模態(tài)振型具有反饋控制的“水床效應(yīng)”，即降低某頻段干擾時(shí)會(huì)導(dǎo)致另段干擾放大。文獻(xiàn)[11]對(duì)于寬頻段提出了一種自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋控制律，于大型空間結(jié)構(gòu)的振動(dòng)抑制，并對(duì)外界輸入信號(hào)的依賴程度較小。對(duì)于空基干涉儀和空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡[12]等高精度設(shè)備，恒星干涉儀任務(wù)需要在 10m 撓性以及反作用飛輪的干擾下滿足光學(xué)器件 10nm 級(jí)的穩(wěn)定度需求[13]。針對(duì)此類定度需求，文獻(xiàn)[14]提出了正交六桿組成的 Stewart 主動(dòng)隔振平臺(tái)，該平臺(tái)對(duì)振動(dòng)和低頻振動(dòng)均具有良好的隔振效果，其隔振頻帶可到 5-100Hz，，其執(zhí)行為音圈電機(jī)。結(jié)合條紋跟蹤光學(xué)控制系統(tǒng)，Stewart 平臺(tái)能夠滿足空基光學(xué)干 10nm 級(jí)穩(wěn)定度的需求[15]。主動(dòng)隔振系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：能克服被動(dòng)隔振時(shí)低頻與高頻抑制的矛盾，并可根據(jù)環(huán)境變化隨時(shí)改變控制算法，克服被動(dòng)隔振時(shí)隔振和載荷擾抑制矛盾。
【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】：2018
【分類號(hào)】：V448.22

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2662918