飞轮控制小卫星大角度姿态机动控制算法研究

摘要

随着对卫星功能的需求变化越来越快,要求卫星的开发周期尽量缩短。因此小卫星获得了越来越广泛的应用。本文研究由反作用飞轮作为执行机构的刚体小卫星大角度姿态机动控制算法。
　　论文首先采用姿态四元数作为描述卫星姿态运动的参数,建立了刚体小卫星的姿态运动学方程和动力学方程,在此基础上,系统、深入的研究了基于四元数反馈的姿态机动控制规律。论文首先采用Lyapunov设计方法设计了PD反馈控制律,然后考虑到反作用飞轮和输入控制力矩和最大角动量受限的情况,提出了递阶饱和控制律。考虑到卫星姿态运动模型具有级联的结构,因此采用反步法设计了反馈控制律。对于文章提出的全部控制律均进行了仿真,并对仿真结果进行了对比分析。
　　针对卫星姿态机动的时间最优控制问题,很少有论文考虑卫星执行机构的动态特性对于最优控制过程的影响。本文考虑卫星执行机构,即飞轮的动态特性,首先采用极小值原理对姿态机动的时间最优控制进行了分析,然后利用伪光谱算法给出了开环最优控制轨迹。为了分析飞轮动态特性对最优控制解的影响,采用同样的方法求解不考虑飞轮动态特性的时间最优控制问题并得到了数值解。另外,为了抑制卫星在轨运动时干扰力矩的影响,设计了闭环反馈控制律用来跟踪时间最优的姿态机动轨迹。最后对仿真结果进行了对比分析。

目录

摘要

Abstract

绪论

课题背景

卫星姿态机动控制算法研究现状

基于四元数反馈的PID控制律

最优控制律

其他的控制律

卫星执行机构介绍

本文的主要研究内容

动力学和运动学建模

引言

常用的空间坐标系

常用的卫星姿态描述参数

方向余弦描述方式

欧拉角参数描述方式

四元数参数描述方式

欧拉轴/角参数描述方式

MRP描述

各个描述参数之间的转换

比较各个姿态描述参数的优缺点

卫星的动力学方程和运动学方程

刚体小卫星的动力学方程

刚体小卫星的运动学方程

小卫星姿态误差运动学方程和动力学方程

干扰力矩建模

重力梯度力矩

气动力矩

地磁力矩

本章小结

四元数反馈的PID控制器

引言

模型独立的PD控制律

控制律的形式

控制律的仿真和结果分析

基于欧拉轴机动的PD控制律

控制律形式

控制参数的选择方法

系统的渐进稳定性

控制律的仿真与分析

反步法

控制律的设计

反馈控制律的分析和参数选择

控制律的仿真

考虑飞轮为执行机构时的递阶饱和PD控制律

控制律的形式

控制参数的选择

仿真与结果分析

时间最优控制算法

引言

建立最优控制问题

最优控制问题的求解

利用极小值定理分析

利用勒让德伪光谱算法求解

采用SNOPT优化软件包求解

闭环控制律

仿真并分析结果

时间最优控制仿真与分析

闭环反馈控制律仿真与分析

本章小结

结论

参考文献

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致谢