带柔性太阳帆板的航天器姿态控制实验研究

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1、带柔性太阳帆板的航天器姿态控制实验研究秦浩2015年6月中图分类号：V448.22+2UDC分类号：629.7带柔性太阳帆板的航天器姿态控制实验研究作者姓名秦浩学院名称宇航学院指导教师张景瑞教授答辩委员会主席唐胜景教授申请学位工程硕士学科专业航天工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月ExperimentalstudyontheattitudecontrolofspacecraftwithflexiblesolararraysCandidateName:QinHaoSchoolorDepartment:AerospaceEngineeringFacult

2、yMentor:Prof.JingruiZhangChair,ThesisCommittee:Prof.ShengjingTangDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:SpaceengineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:June，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理

3、工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要大面积柔性太阳帆板是大型航天器常见的安装部件，在结构阻尼系数较小的条件下，柔性太阳帆板的低阶模态振动会对星体姿态运动产生重要的影响。如何在考虑帆板低阶模态的条件下进行航天器姿态控制器的设计，是实现星体姿态精确控制的重要前提。本文针对带有单个柔性太阳帆板的一类航天器姿态控制问题进行了理论建模和控制器策略研究，并建立了单轴气浮台姿态控制仿真实验系统，通过物理仿真实验对所设计的控制器进行了

4、试验研究。首先，将带有柔性帆板的航天器考虑为刚柔组合系统，在综合考虑系统刚体姿态运动和柔性模态运动的条件下，采用拉格朗日建模方法，建立了刚柔耦合姿态动力学模型；为降低模型的维数且保证一定的模型精度，采用模态截断法对刚柔耦合动力学模型进行了简化，在此基础上完成了系统刚体运动和模态运动之间的耦合关系的分析，为进一步开展控制器的设计奠定了基础。其次，结合挠性航天器姿态机动过程中的姿态稳定控制问题，设计了常用的PD控制器，而后在MATLAB中建立了相应的闭环数值仿真模型并完成了数值仿真。针对仿真结果中出现的问题，随后又相继设计了变结构控制器、准滑模变结构控制器和基于指数趋近律

5、的变结构控制器。通过对上述几类控制器的对比，分析了各自的优劣并详细分析了变结构控制中的抖振现象。再次，为改善系统动力学模型中的不确定性和变结构控制过程中的抖振问题，采用模糊控制与变结构控制相结合的方法，分别设计了柔性航天器常规模糊变结构控制器和基于趋近律的模糊变结构控制器。理论分析及数值仿真表明，该控制器充分结合了模糊和变结构控制器的优点，能够有效的解决动力学模型的不确定性以及变结构控制中的抖振问题，并且机动时间短，对各阶模态均有很好的抑制效果。为验证所提出控制方法的有效性，本文设计并搭建了带柔性太阳帆板的单轴气浮台姿态实验系统，结合所提出的控制器数学模型，完成了单轴

6、气浮台姿态实验系统控制软件的开发。最后，在考虑不同仿真参数条件下，对所提出的控制方法进行了全物理实时仿真实验。实验结果表明，PID、滑模变结构、模糊变结构控制器能够有效的对姿态进行控制，且具有较高的控制精度和合理的I北京理工大学硕士学位论文响应速度，与数值仿真分析结果具有较好的一致性。关键词：单轴气浮台；太阳帆板；挠性航天器；姿态控制；实物仿真II北京理工大学硕士学位论文AbstractLargeareaflexiblesolarpaneliscommonforlargespacecraftinstalledcomponents,undertheconditionso

7、fstructuraldampingcoefficientissmaller.Thelowermodalvibrationoftheflexiblesolarpanelwillhaveanimportantimpactontheattitudemotionofstars.Howtoconsideringpanelsforlowfrequencymodeundertheconditionofspacecraftattitudecontrollerdesignisaveryimportantpreconditiontorealizetheaccurate