卫星姿态控制及全物理仿真系统设计与实现

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1、硕士学位论文卫星姿态控制及全物理仿真系统设计与实现DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFSATELLITEATTITUDECONTROLANDITSFULL-PHYSICALSIMULATIONSYSTEM王新波哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文卫星姿态控制及全物理仿真系统设计与实现硕士研究生：王新波导师：马广程教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：控制科学与工程系答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.2U.D.C

2、:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFSATELLITEATTITUDECONTROLANDITSFULL-PHYSICALSIMULATIONSYSTEMCandidate：WangXinboSupervisor：Prof.MaGuangchengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：Dept.ofControlSciencea

3、ndEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着航天技术的发展，卫星系统呈现出大型化、低刚度和挠性化的发展趋势，使得卫星姿态动力学及其控制问题变得越来越复杂，如何通过地面仿真手段保证卫星控制系统的性能成为航天领域的研究热点之一。本文针对空间卫星的姿态控制及其地面仿真方法进行了系统的研究。首先，总结了目前国内外在卫星姿态动力学特性分析和姿控算法上的发展现状，分析各国科研工作者在地面仿真系统研制方面的研究成果。然后采用四元数和欧拉角的描述形式，

4、建立了卫星姿态运动学模型，同时基于经典Lagrange方法推导得到了挠性卫星的姿态动力学模型。其次，在所推导得到的的姿态动力学模型的基础上，研究了卫星姿态控制问题。首先采用PID控制器并进行了数字仿真与分析，取得了良好的效果。在此基础上，考虑到太阳帆板等挠性附件对姿态控制的扰动影响，设计了滑模变结构控制算法并进行了仿真，既提高了控制性能又增强了系统的鲁棒性。针对滑模控制存在的“抖振”问题，设计了一种变增益的模糊滑模控制器，仿真结果表明该方法能够有效抑制控制力矩的波动。再次，以三轴气浮台为核心，研究了卫星姿控地面全物理仿真系统的设计与实现，重点完成了姿态控制仿真回路的软硬件平台搭建及姿态控

5、制律设计等工作。在此基础上，设计并完成了仪表平台大角度机动、稳定指向等仿真试验，验证了所设计的地面仿真系统软硬件平台的性能以及姿态控制律的有效性。最后，研究了全物理仿真系统的定量分析方法。基于相似度理论，分析了卫星姿态控制系统的五个功能模块，结合设计的全物理仿真试验，采用对比仿真试验数据与实际在轨卫星数据的方法，对所设计的卫星姿态控制地面全物理仿真测试系统进行了可信度计算分析。关键词：挠性卫星；姿态控制；滑模控制；全物理仿真；可信度分析-I-AbstractAbstractWiththerapiddevelopmentofspacetechnology,Satellitesystemis

6、showingthetrendoflargescale,lowrigidityandflexibility,whichmakestheproblemofthesatelliteattitudedynamicsandcontrolmoreandmorecomplex.Howtoensuretheperformanceofthesatellitecontrolsystemthroughthesimulationhasbecomeanissueinaerospacetechnology.Thisthesisstudiesontheproblemsofsatelliteattitudecontr

7、ol,anditssimulationmethodonground.Firstly,thecurrentdevelopmentofattitudedynamicmodelingandcontrolwassummarized,andtheresearchresultsofsimulationsystemongroundwereanalyzed.BasedonthedescriptionformofquaternionandEulera