带有Stewart平台的卫星隔振及姿态控制研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:squallleo2009
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随着航天技术的逐步发展以及任务需求日益复杂,卫星所带载荷精度越来越高,同时也要求卫星拥有更高的指向精度和更快的速度。然而星载微振动噪声严重降低了载荷的精度,且微振动噪声频率分布广、难以测量,常规的隔振方法作用效果不佳,本文针对有效载荷所受微振动噪声进行深入研究,以Stewart平台为隔振机构开展寻找有效的Stewart平台被动、主动隔振方法从而克服对微振动的影响达到提升载荷的精度的目的。针对卫星对目标姿态跟踪的任务受燃料和执行机构能力等限制问题,本文将探索高效、快速和高精度的卫星跟踪控制方法,旨在提升卫星对目标的跟踪能力进而提升载荷的精度。首先,针对带有Stewart平台的卫星姿态建模问题,通过牛顿-欧拉方程建立了由下平台六自由度运动到上平台力和力矩输出的动力学模型,并通过脉冲响应验证了模型的正确性,同时建立了带有挠性帆板的卫星姿态动力学模型,并选择五棱锥构型的CMG作为执行机构,通过Stewart平台的支撑作动器作用力/力矩连接Stewart平台与卫星。考虑微振动信号构建问题,选择实测以及通过功率谱密度函数构建方法构建微振动噪声,并通过傅里叶变换验证了构建信号的正确性。然后,针对抑制微振动噪声问题,将Stewart平台x,y两轴转动方程简化为二阶系统,根据所分析噪声所定的指标,通过二阶系统传递函数特性设计被动隔振的结构参数,并经过仿真得到所设计Stewart平台的固有频率和仿真系统之间的关系。考虑被动隔振机械结构受物理约束以及抗扰性和鲁棒性,设计了PD和滑模主动隔振控制器,通过仿真验证了两种方法对微振动噪声的抑制效果并对比两种方法的优缺点。最后,针对卫星姿态对目标跟踪精度和快速性问题,使用最优滑模控制方法,通过设定指标函数,在补偿非线性项后求解Riccati方程得到最优滑模控制律。考虑最优滑模控制器精度和无穷时间收敛问题,进一步提出基于NTSM(Nonsingular Terminal Sliding Mode)的有限时间CLF(Control Lyapunov Functio)高精度姿态跟踪控制算法,通过CLF控制提升最优性,当状态变量靠近滑模面时利用NTSM控制的有限时间特性提升控制速度,通过仿真验证了两种控制方法的有效性,并在相同指标函数条件下对比两种姿态控制方法总结两种方法的特点。
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