3d刚体摆的鲁棒控制器设计与实验研究

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1、万方数据分类号：TP273O单位代码：11232密级：◆f京信息科技太争工学硕士学位论文3D刚体摆的鲁棒控制器设计与实验研究学院：学科(专业)：学号：作者：指导教师：完成日期：自动化学院模式识别与智能系统2012020173李金戈新生二零一四年十二月万方数据学位论文版权使用授权书本人完全了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本。学校有权保留学位论文并向中国科学技术信息研究所等国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制

2、手段保存、汇编学位论文。学校有权适当复制、公布论文的全部或部分内容。学校有权将本人的学位论文加入《中国优秀硕士学位论文全文数据库》和编入《中国知识资源总库》。学位论文作者签名：捡．)。士年弓月，6日口公开口保密(——年——月)(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)指导教师签名：I≮够里学位论文作者签名：径泖I睥弓月l多日3世年弓月t寸日万方数据硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文题目为《3D刚体摆的鲁棒控制器设计与实验研究》学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学

3、位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。作者签字：检)。古年弓月IoEl万方数据摘要3D刚体摆(三自由度刚体摆)是由地球静止轨道航天器(GEO)抽象而来的一种简化模型，可以将其视为一个刚体绕固定且摩擦近似为零的支点在偏航、俯仰和滚动三个方向转动，并且受到恒重力、万有引力等作用。3D刚体摆的稳定状态由重心位置决定，当重心位于支点正下方时，3D刚体摆处于悬垂姿态平衡；重心位于支点的正

4、上方时，3D刚体摆处于倒立姿态平衡。3D刚体摆是一种广义的刚体摆模型，是实验室研究刚体复杂旋转动力学与控制问题的典型系统，是地面研究航天器姿态稳定控制的实验平台。本文在分析3D刚体摆的运动学和动力学模型基础上，在平衡点附近对3D刚体摆的姿态动力学模型进行线性化处理。针对线性化后的动力学方程，考虑到其参数可能存在的不确定性，对这种不确定性进行了详细分析。随后研究了3D刚体摆的鲁棒控制问题，详细介绍了巩控制理论与算法，针对3D刚体摆的悬垂稳定情况设计了一种状态反馈巩控制律，运用线性矩阵不等式方法求解得到鲁棒控制器。在MATLAB中对设计

5、的控制系统进行了仿真并与PID控制器作比较分析，仿真实验结果表明本文设计的状态反馈风控制器对3D刚体摆的姿态控制具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。实验研究是将控制方法的理论研究用于实际工程的桥梁。文中分析了3D刚体摆“的实验模型，设计了一种以3个彼此正交的零动量飞轮为主要控制力矩的实验控制平台，讨论了飞轮转动可能对实验台产生的干扰力矩，并分析得出避免飞轮干扰的实现方法。应用LabVIEW虚拟仪器设计了一种传统的PID控制器，同姿态测量传感器和实验台本体一起构成闭环反馈回路。最后对3D刚体摆实验台进行了姿态控制实验，结果表明实验研究取得了

6、初步进展，设计的PID控制器对3D刚体摆实验台的姿态稳定具有良好的控制效果。关键词：3D刚体摆；鲁棒控制；PID控制器；LabVIEW万方数据ABSTRACTThe3DRigidPendulum(thethreedegreesoffreedomrigidpendulum)isasimplifiedmodelwhichisanabstractofgeostationaryorbit(GEO)spacecraft．The3DRigidPendulumCanberegardedasarigidbodyrevolvingaroundafix

7、edpivotandthefrictionisapproximatetozero．ItCanrotateinthreedirectionswithpitch，yaw,androll，anditsubjectstotheforceofgravityandgravitation．Theequilibriumstateofthe3DRigidPendulumisdeterminedbythecena'epositionofthegravity．The3DRigidPendulumremainsaposturebalanceofsuspen

8、sionwhenthecentreofgravityisinthebottomofthepivot．Incontrast，itremainsinvertedequilibriumwhenthecentreofgravityisabov