毕设中期报告.doc

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1、毕业设计（论文）中期报告题目：基于飞轮摩擦观测器设计的卫星姿态控制方法研究专业飞行器设计与工程学生解延浩学号指导教师吴宝林日期2015年3月13日哈尔滨工业大学教务处制1.绪论对于要求三轴稳定的小卫星姿态控制系统，当前主要有喷气、反作用飞轮和力矩陀螺三种控制方式。而其中，反作用飞轮由于具有不消耗推进剂、控制精度高、系统简单灵活可靠并且可以实现整星零动量等优点，而得到广泛的运用。但在转速较低时，由于摩擦力矩的存在，尤其是在转速过零时摩擦力的大小、方向均产生突变，导致反作用轮的输入信号和输出力矩间的线性关系被严重破坏，大大限

2、制了该方案的实际应用。因此，如何改善反作用飞轮的低速摩擦性能成为了提高飞轮姿态控制精度的关键课题。对比当前的国内外主要的诸如自适应、变结构、H∞等小卫星姿态控制系统，虽然在精度、稳定性和机动能力上都已达到了较佳的性能，但针对于反作用飞轮的低速摩擦补偿却研究不多，也尚未有较为有效可靠的方案。当前对于低速摩擦补偿，国内外学者主要提出了以下方式：（1）直接补偿：将摩擦力都视作库伦摩擦，并根据库伦摩擦力模型，在飞轮输入信号上叠加一个与转速同向的偏置信号，用以抵消摩擦力。这样虽然可以改善一部分飞轮性能，但由于模型的不精确而且所受摩

3、擦力不全是库伦摩擦，导致在反作用飞轮转速过零时补偿效果减弱甚至失效；（2）变增益：在低速过零时提高飞轮转速的反馈增益，即提高了系统转速跟踪的精度，但过高的反馈增益会导致系统能耗增加而且削弱系统稳定性甚至产生极限环振荡现象；（3）高频线性化：当反作用轮转速低于某个阈值时，将高频正弦震颤信号叠加进输入信号中，使原本不连续的摩擦特性得到了较好的线性化，但此方法受限于附加的高频震颤信号和飞轮的摩擦频率特性。（4）变结构控制：将摩擦力在飞轮过零时的突变视作模型的不确定性，并假设不确定上界已知。这种方式虽然有效，但可能导致较大的震颤

4、和控制量，故仍具有一定的保守型和改进空间。2.研究内容本文对比了现有的摩擦补偿方案，决定设计摩擦补偿观测器，并采用变结构控制的方式，使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动，改善飞轮的低速摩擦性能。结合现有的知识技能，需要进一步研究的内容主要包括：1)反作用飞轮的低速摩擦与润滑机理和较准确的低速摩擦模型、收敛的飞轮摩擦补偿状态观测器设计及其应用；2)变结构控制的基础理论与应用以及包含摩擦补偿观测器的变结构姿态控制系统的设计；3)考虑摩擦的变结构姿态控制系统的Simulink仿真与结果评价及进一步减小控制量和震颤的优化方案

5、，并在仿真中验证优化的效果。3.研究方案及进度安排1)查阅有关飞轮低速摩擦和润滑的相关文献或者进行实验测定数据，给出较为精确的低速过零时的摩擦模型，并将其合理的连续化，再由现代控制理论得出观测器状态方程，并证明其收敛性。1)学习滑模变结构控制的相关理论，并研究将之运用于卫星姿态控制的方式。2)根据卫星姿态动力学模型，首先建立不失真实性的三通道姿态计控制系统（包含不确定的干扰因素），并在Simulink中搭建模块，进行计算机仿真以观察低速摩擦对姿态控制系统的影响。3)在已有基础上，以减小姿态误差和扰动为目标，设计基于状态观

6、测器的变结构卫星姿态控制系统，并在同等条件下进行仿真，并与之前的仿真结果进行对比。4)结合工程实际方法，从多角度尝试对这种控制策略进行进一步优化，目前尚在论证中的方案是在低速时增加系统阻尼或采用极点连续变化的方式，以改善其震颤特性，并进行仿真验证。1.进度完成情况序号阶段及内容起讫日期阶段成果形式完成情况1通过导师的参考方向和自己的兴趣确定研究课题2015年3月3日至2015年3月5日选题方案已完成2通过网络等途径搜集相关资料，并进行加工整理，总结研究现状，发现问题2015年3月6日至2015年3月11日资料总结已完成3

7、确定研究课题，梳理资料后撰写开题报告，认真思考导师给的意见和建议，完善开题报告。进行开题报告答辩2015年3月12日至2015年3月19日开题报告已完成4摩擦模型的建立及连续化，开始详细学习滑模变结构控制的相关理论，并研究将之运用于卫星姿态控制系统的方案2015年3月20日至2015年3月25日较为真实的连续化摩擦模型已完成5状态观测器方程的建立2015年3月26日至2015年4月5日收敛的状态观测器已完成6根据卫星姿态动力学模型，建立不失真实性的三通道卫星姿态计控制系统2015年4月6日至2015年4月15日考虑摩擦的

8、三通道姿态计控制系统已完成7学习卫星姿态动力学模型和matlab仿真方法，在计算机中搭建控制系统，并进行仿真（包含摩擦等不确定的干扰因素）2015年4月16日至2015年4月25日未经优化的系统仿真曲线已完成8总结研究结果，撰写中期报告，进行中期答辩2015年4月25日至2015年4月30日中期报告进行中9继续学习变