带双轴太阳帆板驱动器的卫星建模与控制

论文摘要

本文以一类中心刚体带两块对称太阳帆板的卫星为研究对象,采用双自由度太阳帆板驱动机构,并在此基础上对挠性卫星建模、姿态控制、振动抑制和仿真等展开了深入的研究。主要研究内容包括以下几个方面:首先,介绍了双自由度太阳帆板驱动器的设计结构及其实现方法,并基于此机构,为降低在卫星姿态机动过程中,帆板振动对星体姿态的影响,提出了将太阳帆板和卫星本体分开机动的新型机动方式。并针对新型太阳帆板与姿态机动方式,采用混合坐标法和拉格朗日原理,建立了双轴太阳帆板和卫星姿态动力学模型。然后,分析了控制模型,研究了太阳帆板弹性振动对系统正反馈形式的影响。建立了传统的单轴太阳帆板卫星的姿态动力学模型,并设计了PD加前馈的姿态机动控制律。对滚动轴的机动控制、俯仰轴和偏航轴稳定控制的情况进行数学仿真,结果表明,设计的控制算法是有效的。最后,基于本文提出的新型机动方式,利用反馈线性化方法,设计了卫星姿态机动和帆板转动的非线性反馈控制律。分别针对帆板与卫星本体同时机动与分步机动的机动策略,进行了仿真验证。并对单自由度帆板卫星和双自由度帆板卫星的控制效果进行了对比分析,结果表明,双自由度太阳帆板驱动机构在抑制帆板挠性振动和提高姿态稳定精度的方面具有一定的优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 太阳帆板驱动机构的发展
• 1.1.2 太阳帆板驱动机构的功能
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 国内外研究现状及其相关理论的发展概况
• 1.2.1 带挠性附件的航天器的建模方法与进展
• 1.2.2 带挠性附件的航天器的姿态控制技术国内外研究情况
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 带双轴太阳帆板驱动器的卫星动力学模型
• 2.1 参考坐标系及姿态描述方法
• 2.1.1 参考坐标系
• 2.1.2 姿态描述方法
• 2.2 卫星结构及参数
• 2.3 卫星姿态动力学模型
• 2.3.1 卫星平移运动方程
• 2.3.2 卫星转动运动方程
• 2.3.3 卫星太阳帆板的动力学方程
• 2.4 卫星运动学方程
• 2.4.1 欧拉角描述的运动学方程
• 2.4.2 四元数描述的运动学方程
• 2.5 本章小结
• 第3章 单轴太阳帆板驱动器的卫星姿态控制及仿真
• 3.1 姿态动力学方程
• 3.2 控制模型分析
• 3.3 控制器设计及仿真
• 3.3.1 仿真说明
• 3.3.2 俯仰回路姿态控制律设计及仿真
• 3.3.3 滚转和偏航回路姿态控制律设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 双轴太阳帆板驱动器的卫星姿态控制及仿真
• 4.1 反馈线性化理论
• 4.1.1 反馈线性化的定义
• 4.1.2 反馈线性化的分类
• 4.2 双轴太阳帆板驱动器的卫星姿态控制律设计及仿真
• 4.2.1 太阳帆板姿态控制律设计
• 4.2.2 卫星本体姿态控制律设计
• 4.2.3 带双轴太阳帆板驱动器的卫星仿真
• 4.3 仿真结果比较
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢