本文關鍵詞：一種雙體衛(wèi)星的動力學建模與控制研究

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【摘要】：在許多衛(wèi)星項目中,衛(wèi)星的高精度指向、高穩(wěn)定度是至關重要的,例如:高精度高分辨率對地觀測、激光通信衛(wèi)星等。由于衛(wèi)星上的活動部件和結構形變等因素產生的微振動會降低衛(wèi)星載荷的指向精度和穩(wěn)定度,因此需要進行隔振。本文采用一種雙體衛(wèi)星結構將衛(wèi)星載荷與振源從物理結構上進行完全的隔離,從而可以保證載荷的姿態(tài)指向精度和姿態(tài)穩(wěn)定度。本文的主要工作分為三大部分,首先是通過介紹衛(wèi)星隔振技術的發(fā)展概況了解當前該領域中所遇到的困難與挑戰(zhàn),從而引出為進一步提高隔振性能而提出的雙體衛(wèi)星概念,并對其目前的發(fā)展做了一定的介紹。其次是對本文所采用的一種雙體衛(wèi)星結構進行相關的研究,建立其運動學與動力學模型。最后,對雙體衛(wèi)星進行控制系統(tǒng)的設計,給出相應的控制器PID參數(shù),通過在Matlab/Simulink下對雙體衛(wèi)星控制系統(tǒng)進行仿真,驗證雙體衛(wèi)星的姿態(tài)指向特性以及隔振特性。雙體衛(wèi)星從結構上分為載荷平臺與衛(wèi)星主體結構兩部分,它們通過8個力執(zhí)行器產生的磁浮力場進行動力學上的固聯(lián)從而使彼此之間不相互接觸�？刂品绞讲捎幂d荷為主,平臺為輔的協(xié)同控制策略。雙體衛(wèi)星的動力學模型分為載荷平臺動力學模型,主體結構動力學模型以及相對位置結構動力學模型。在對雙體衛(wèi)星進行控制系統(tǒng)設計時,主要需要解決三個問題。第一個問題是考慮如何將8個力執(zhí)行器合理的分布在載荷平臺與主體衛(wèi)星結構之間。本文從幾何結構上考慮,以最大限度降低力執(zhí)行器間的靜態(tài)耦合為原則,給出了分配方案。第二個問題是指如何分配確定每個力執(zhí)行器的輸出控制力,即控制力的分配問題。本文根據(jù)相對姿態(tài)與相對位置模型推導出8個相對測量距離與相對姿態(tài)和相對位置的關系,從而得出相對姿態(tài)矩陣和相對位置矩陣,解決了控制力的分配問題。第三個問題是如何解決相對位置控制系統(tǒng)與載荷平臺姿態(tài)控制系統(tǒng)之間的耦合性。本文通過采用將力場分解為凈力場和凈力矩場的方法,消除了控制子系統(tǒng)間的耦合性。通過解決這三個問題,本文得出了雙體衛(wèi)星的三軸解耦控制系統(tǒng)模型,它可以分解為載荷平臺姿態(tài)控制系統(tǒng),衛(wèi)星主體結構姿態(tài)控制系統(tǒng)以及相對位置控制系統(tǒng)。最后通過對每個子系統(tǒng)進行PID控制律的設計完成了對雙體衛(wèi)星的整體控制。
【關鍵詞】：雙體衛(wèi)星 姿態(tài)控制 位置控制 隔振 解耦
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-14
• 1.1 課題來源9
• 1.2 課題背景、研究的目的及意義9-10
• 1.3 國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢10-12
• 1.3.1 隔振技術綜述10-12
• 1.3.2 空間載荷的隔振及高精度指向研究12
• 1.4 論文的主要內容與結構12-14
• 第2章 雙體衛(wèi)星運動學與動力學模型的建立14-35
• 2.1 引言14
• 2.2 常用參考坐標系14-15
• 2.3 雙體衛(wèi)星運行方式的分析15-17
• 2.4 不同姿態(tài)描述方法間的比較與選擇17-18
• 2.5 歐拉角姿態(tài)參數(shù)18-20
• 2.6 雙體衛(wèi)星的運動學建模20-24
• 2.6.1 載荷平臺的姿態(tài)運動學模型20-22
• 2.6.2 載荷平臺與衛(wèi)星主體結構的相對姿態(tài)運動學模型22-24
• 2.6.3 載荷平臺與衛(wèi)星主體結構間的相對位置運動學模型24
• 2.7 雙體衛(wèi)星的動力學建模24-34
• 2.7.1 載荷平臺與衛(wèi)星主體結構的平移動力學模型25-26
• 2.7.2 載荷平臺的姿態(tài)動力學模型26-29
• 2.7.3 衛(wèi)星主體結構的姿態(tài)動力學模型29-30
• 2.7.4 力執(zhí)行器陣列分布設計30-34
• 2.8 小結34-35
• 第3章雙體衛(wèi)星的控制系統(tǒng)設計35-65
• 3.1 引言35
• 3.2 雙體衛(wèi)星控制系統(tǒng)概述35-37
• 3.2.1 載荷平臺控制系統(tǒng)概述35-36
• 3.2.2 衛(wèi)星主體結構控制系統(tǒng)分析36-37
• 3.3 雙體衛(wèi)星控制系統(tǒng)建模37-57
• 3.3.1 載荷平臺的姿態(tài)控制模型37-46
• 3.3.2 衛(wèi)星主體結構的姿態(tài)控制模型46-48
• 3.3.3 載荷平臺與衛(wèi)星主體結構的相對位置控制48-53
• 3.3.4 載荷平臺分配控制律設計53-57
• 3.4 雙體衛(wèi)星控制系統(tǒng)的PID參數(shù)設計57-64
• 3.4.1 雙體衛(wèi)星仿真實物的尺寸參數(shù)57
• 3.4.2 載荷平臺姿態(tài)控制系統(tǒng)的PID控制律設計57-60
• 3.4.3 衛(wèi)星主體結構姿態(tài)控制系統(tǒng)的PID參數(shù)設計60-62
• 3.4.4 雙體衛(wèi)星相對位置控制系統(tǒng)的PID參數(shù)設計62-64
• 3.5 小結64-65
• 第4章 雙體衛(wèi)星控制系統(tǒng)的仿真分析65-71
• 4.1 引言65
• 4.2 雙體衛(wèi)星姿態(tài)指向特性仿真分析65-67
• 4.3 雙體衛(wèi)星相對位置控制系統(tǒng)的仿真67-69
• 4.4 雙體衛(wèi)星隔振特性的仿真分析69-70
• 4.5 本章小結70-71
• 結論71-72
• 參考文獻72-75
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文75-77
• 致謝77

【參考文獻】

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本文編號：897598