ALPHA型空间太阳能电站聚光系统的控制研究

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1、硕士学位论文ＡＬＰＨＡ型空间太阳能电站聚光系统的控制研究作者姓名潘红梅学校导师姓名、职称张菊香副教授企业导师姓名、职称李艳林高工申请学位类别工程硕士学校代码10701学号1504122130分类号V448.2密级公开西安电子科技大学硕士学位论文ALPHA型空间太阳能电站聚光系统的控制研究作者姓名：潘红梅领域：控制工程学位类别：工程硕士学校导师姓名、职称：张菊香副教授企业导师姓名、职称：李艳林高工学院：机电工程学院提交日期：2018年4月ResearchonControlofALPHASpaceSolarPowerStationC

2、oncentratorSystemAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinControlEngineeringByPanHongmeiSupervisor:ZhangJuxiangTitle:AssociateProfessorSupervisor:LiYanlinTitle:SeniorEngineerApril2018西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德

3、，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研宄成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。一切法律责任学位论文若有不实之处，本人承担。本人签名：日期：Ｌ馬Ｉ錢西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在

4、校攻读学位期间论文工作的知识产权属于西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅、借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，允许。采用影印、缩印或其它复制手段保存论文同时本人保证，结合学位论文研究成果、。完成的论文发明专利等成果，署名单位为西安电子科技大学本人签名：：拷？Ｖ御导师签名＇ｐ（ｗｋ．．：７ｇ．Ｌ：，ｎ日期＾／日期（Ｊ摘要摘要面临能源危机，诸多国家和学者将空间太阳能电站作为重点研究对象。空间太阳能电站在轨运行需实现太阳电池阵对日定向及微波波束与地面接收天线精确定向，故本文针对空间太阳能电

5、站的精密位姿控制进行相关研究，并以美国曼金斯教授提出的SSPS-ALPHA为研究对象。考虑到空间环境对ALPHA聚光系统稳定运行的影响，通过建立聚光器系统数学模型来描述控制力矩和姿态信息间的关系，利用姿态确定系统测量聚光器姿态信息，并将其反馈至姿态控制系统，进而输出控制力矩以克服空间环境干扰，以此实现聚光器系统稳定控制。因此，闭环聚光器系统设计从被控对象模型、空间环境、姿态确定系统、姿态控制系统四个方面进行研究，具体工作内容如下：1、考虑到姿态运动学方程与姿态动力学方程可描述聚光器系统数学模型。依据坐标系构建及欧拉角描述法得到姿态运动学方程，又通过数值

6、分析法解析系统参数，结合动量矩定理进而得到姿态动力学方程，以刻画控制力矩与姿态角信息。2、针对太空摄动力因素对聚光器系统稳定运行的影响，通过分析研究各种摄动力干扰模型，本文分别对重力梯度、太阳光压、地影进行仿真计算，最终得到“太阳光压力矩+均值为1000Nm随机干扰”的聚光器系统干扰力矩模型。3、建立姿态确定系统。通过全面分析对比航天任务中应用的敏感器，本文采用高精度的“星敏感器+光纤陀螺”组合方式作为姿态测量装置。考虑到姿态敏感器自身附带有不确定性因素的干扰，基于状态估计法，分别采用扩展卡尔曼滤波算法与无迹卡尔曼滤波算法设计姿态估计器，并对其进行仿

7、真研究，结果证明两种姿态确定算法均具备可行性与较好的状态估计性能，且无迹卡尔曼滤波算法比扩展卡尔曼滤波算法滤波估计精度高出一个数量级。4、针对姿态控制系统的设计，本文首先提出零动量反作用飞轮的等效数学模型来刻画执行机构复现控制指令的过程特性。随后，分别应用PID控制算法、模糊PID控制算法、BP神经网络控制算法及滑膜变结构控制算法设计姿态控制器，并通过搭建Simulink模块仿真验证四种控制算法均满足聚光器系统性能指标要求。基于四种控制算法的仿真结果，本文最终选用控制效果最优的滑模变结构控制器以实现被控系统精密位姿控制。关键词：ALPHA聚光器系统，太

8、空摄动因素，姿态确定算法，位姿控制，滑膜变结构控制IABSTRACTABSTRACTFaced