小卫星敏捷姿态控制及全物理仿真技术研究

doi:495CB18D97C2281D864DCBE9A4E4BDD6

	小卫星敏捷姿态控制及全物理仿真技术研究
	林鲁超
学位类型	硕士
导师	陈长青 ; 徐开
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	敏捷卫星姿态控制控制力矩陀螺稳速全物理仿真
摘要	随着人类对太空的不断探索,不断复杂化的空间任务对卫星姿态控制系统的快速性、稳定性要求越来越高。敏捷卫星姿态控制研究意在不断提高卫星快速机动过程中姿态控制系统的机动速度与稳态精度。与常用姿态控制执行部件飞轮对比,控制力矩陀螺(CMG)可以在同等功率水平下输出较大力矩,这是敏捷卫星理想的姿态控制执行部件。但是以CMG作为敏捷小卫星姿控执行部件存在两个严重问题:(1)当前在大中型卫星中应用的CMG系统多采用单机角动量大,单机数量少的设计方式,而由于大角动量单机控制误差带来的干扰力矩使得小卫星姿控系统很难有较高的稳定控制精度;(2)当前常见构型的失效操纵相容性较低,在单机失效后极易引起整星失稳。针对上述问题,本文在前人研究基础上,提出一种姿控系统方案,在一定的指令要求下,通过群构型的重构策略变换CMG单体参与控制的方式,从而使CMG群既能输出大力矩满足卫星快速机动的要求、又能输出精细力矩满足卫星稳定控制的要求。本文主要从CMG系统的可重构构型选择、操纵机理和奇异面分布等方面入手,对应用可重构CMG群构型的卫星姿态控制问题进行了深入研究,论文主要工作概括如下:在八单体构型的基础上,综合考虑微型控制力矩陀螺的角动量输出能力,分布方式等因素,选择正八棱锥作为可重构构型。通过对CMG群操纵律的分析,选取逃避奇异最佳的非对角奇异鲁棒操纵律。围绕敏捷卫星的姿态控制问题,主要研究了滑模变结构控制算法与CMG操控结合进行敏捷姿态控制的策略。在相同控制条件下,通过仿真对比具有相等最大角动量的经典金字塔构型CMG群和可重构构型CMG群的滚动轴20°机动控制效果,可重构构型在9秒内完成机动到稳定的过程,指向精度优于0.002°,稳定度优于0.0015°/s,金字塔构型在11秒内完成机动到稳定的过程,指向精度优于0.005°,稳定度优于0.004°/s,可以发现本文提出的可重构构型可以提高卫星机动过程中的机动速度与稳态精度。针对在单体样机测试实验过程中发现的CMG框架转动对转子运动的耦合扰动问题,提出了一种基于遗传算法拟双环—锁相环的双模控制方法,并在该方法中引入干扰力矩补偿控制,进而实现干扰情况下的稳速控制。为模拟电流、速环双环控制,利用遗传算法优化两组比例-积分(PI)参数组成参数可变的拟双环控制器,进而与锁相环组成双模控制可实现转速的快响应、低超调和高精度控制。针对SGCMG框架转动对转子转速产生扰动的问题,分析了扰动产生的原因,推导并结合实验数据得出了框架转速θ与干扰力矩Td的关系,在此基础上设计角速率前馈控制器,以力矩补偿的方式对干扰进行抑制。最终,转速波动可抑制到无补偿情况的15%,在期望转速4000rpm的情况下,转速稳态误差小于0.045%,满足卫星姿态控制全物理仿真的要求。以单轴气浮台为基础,给出了小卫星敏捷姿态控制全物理仿真系统总体设计方案。介绍了全物理仿真系统的三大子系统:气浮台支持系统、台上姿态仿真与通信系统和地面监控系统。搭建了全物理仿真系统,为测试CMG单机性能及转台性能进行了两项测试实验,测得转台干扰力矩为0.001375Nm,转台转动惯量为93.58kg□m2,为后续研究打下基础。
页数	83
DOI	495CB18D97C2281D864DCBE9A4E4BDD6
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63949
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	林鲁超. 小卫星敏捷姿态控制及全物理仿真技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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小卫星敏捷姿态控制及全物理仿真技术研究.（4013KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文