面向卫星姿控系统的半物理实时仿真环境的研究

摘要

半物理实时仿真技术可以为系统开发节约成本，缩短开发周期，减小风险，提高可靠性，在系统设计阶段特别是复杂的大型控制系统的设计阶段发挥极其重要的作用。本文重点研究了基于xPC 目标的半物理仿真环境地设计与实现以及卫星姿控系统控制律的优化问题，并应用卫星姿控系统模型检验构建的半物理实时仿真环境。
　　 首先，本文在简要介绍半物理仿真技术地发展和现状的基础上，分析了半物理仿真环境的基本组成部分。说明了构建卫星姿控系统半物理实时仿真环境的意义。
　　 其次，通过叙述几种实现实时仿真技术的方案，选定MATLAB RTW xPC 目标作为实现半物理实时仿真的工具，并对MATLAB RTW xPC 目标实时仿真技术的相关知识做了详细地说明，重点分析了环境的实时性。详细说明了应用xPC 目标建立半物理实时仿真环境的方法，为环境设计控制界面。对环境进行测试，验证环境可靠性和实时性。
　　 再次，着重研究了卫星姿控系统的控制律，阐述了利用Euler 角和误差四元数来描述卫星姿态的方法。通过对比试验，验证了控制律在用Euler 角和误差四元数两种方法描述卫星姿态时的差异。针对传统PID控制器，应用神经网络方法设计了改进型PID控制器，通过对比试验，验证了改进型PID控制器的控制律优于传统PID控制器的控制律。
　　 最后，在卫星姿控系统中引入反作用飞轮实物，组成卫星姿控系统的半物理仿真模型，在xPC 目标的半物理实时仿真环境中仿真该模型，测试结果表明：xPC目标仿真环境具有良好实时性和较好的可靠性。