哈尔滨工业大学本科毕业设计开题报告

毕业设计（论文）开题报告

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1111820131

指导教师吴宝林

日期2015年3月13日

1．课题来源及研究的目的和意义

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。并且由于静摩擦力明显大于滑动摩擦和粘性摩擦，飞轮在转速较小时会出现最大摩擦力矩大于电机输出力矩的情况，进而陷入有输入无输出的死区，使卫星姿态限于无控状态。随着飞轮电机的输入不断增大，在突破死区时又会由于摩擦力突变会产生较大的扰动，大大限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。

2．国内外在该方向的研究现状及分析

[3]-[5]等小卫星姿态控

对比当前的国内外主要的诸如自适应[1]、变结构[2]、H

∞

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[6]-[8]：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[9]：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[10]-[16]：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和控制量，故仍具有一定的保守型和改进空间。

3．主要研究内容

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，并在仿真中验证优化的效果。

4．研究方案

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。

2)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。

3)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。

4)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。

5)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。

5．进度安排，预期达到的目标

6．课题已具备和所需的条件、经费

课题的研究主要需要：

1)导师和其他科研前辈在学生进行研究工作中提供的帮助，在学生选

题、立论、资料收集等各个阶段都提供参考意见，并经常与学生进行沟通指导；

2)大量国内外资料文献进行学习参考（可以在中国知网等平台进行检

索或查阅图书馆文献）；

3)进行计算和仿真的计算机和Matlab、Simulink等软件（已有）；

经费：

由于学校和实验室已经免费提供了足够的研究条件，故完成本课题所需经费为0元。

7．研究过程中可能遇到的困难和问题，解决的措施

困难和问题：

1)对于反作用飞轮低速摩擦和润滑模型的机理和作用理解尚不够深入，

对于摩擦对姿态控制的影响缺乏深入的理解；

2)对三轴稳定小卫星姿态控制模型的学习不够，尤其是有噪声干扰和

耦合的姿态控制系统；

3)现代控制理论功底不够，对于状态观测器的应用和极点配置不够熟

悉，尤其是极点位置对于系统性能的影响；

4)未深入学习过滑模变结构控制的理论及应用，需要提前学习；

5)未做过控制策略优化的研究，在研究过程中可能具有一定的盲目性。

解决措施：

1)提前查阅资料文献，独立学习有关知识，加深理解；

2)请教导师和其他前辈及同学，解决遇到的疑难问题；

3)大胆创新尝试，不为现有方法和技术制约，努力创新出自己的解决方法。

8．主要参考文献

[1]戴路，金光，陈涛. 自适应扩展卡尔曼滤波在卫星姿态确定系统中

的应用. 吉林大学学报(工学版). 2008.38(2):466-470

[2]张娴，程月华，姜斌. 基于滑模观测器和变结构控制的小卫星姿态

控制系统设计. 第二十七届中国控制会议论文集. 2008:141-144

[3]Iwens R P et al. Design Study for Landsat-D Attitude Control