航天器控制：航天器姿态主动稳定系统(1)

1.2 航天器姿态动力学方程
推力器控制的三轴稳定航天器姿态动力学方程
• 令坐标系Oxyz是航天器的主轴本体坐标系，则推力器控制的 三轴稳定航天器姿态动力学方程为：
I


I
x y
x y

yz x z
Iz Iy Ix Iz
Mcx Mdx Mcy Mdy
< d , < d
M推力器工作死区；
M
控制作用下航天器姿态运动特性
• 相轨迹方程
0
1 2A

2

2 0
有控制力矩情况
0
死区情况
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1.3 基于相平面法的推力器控制
1.3.2 基于角度和角速度反馈的死区继电控制律
1.3.1 基于角度反馈的继电控制律
• 由于三轴可以解耦，以俯仰轴为例，有航天器动力学方程
I y Mcy Mdy
• 基于角度反馈的继电控制律
ucy M sgn( )
• 只要姿态有偏差 ，立即产生恒定的推力力矩
控制作用下航天器姿态运动特性
M
0
• 暂不考虑干扰力矩作用，有姿态稳定情况下
相平面法
• 由姿态角和姿态角速度所组成的平面，相平面图解法就是研 究系统在相平面中的运动轨迹。
• 对于研究较简单的低阶非线性系统具有简单和直观的优点。 在相平面上可以研究过渡过程时间、超调量、极限环等主要 姿态控制性能指标。
典型二阶系统相轨迹
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1.3 基于相平面法的推力器控制
速率陀螺)不灵敏度决定；
• 控制系统是稳定的；
• 存在常值干扰情况相轨迹？
俯仰轴姿态运动相平面图（双边极限环）
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1.3 基于相平面法的推力器控制
1.3.2 基于角度和角速度反馈的死区继电控制律
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1.3 基于相平面法的推力器控制
1.3.2 基于角度和角速度反馈的死区继电控制律
• 以俯仰轴为例，有航天器动力学方程
I y Mcy Mdy
• 基于角度和角速度反馈的死区继电控制律
ucy
M 0

>d , >1 < d , < d
M
-
+1 O
e
u
推力器 Tjy +
1 1
Iys
s

-1
俯仰轴姿态控制系统（理想继电器）
俯仰轴姿态运动相平面图
• 理想情况下，系统运动的相轨迹不衰减 振荡（实线）。
• 实际情况下，由于系统有惯性，相轨迹 是发散的，系统是不稳定的（虚线）。
• 若不加任何校正作用，则这种非线性控 制显然是不稳定的。
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I
z z


x
y
Iy Ix
Mcz Mdz
控制力矩 干扰力矩
• 考虑到推力器控制力矩显著，及其开关控制工作方式，有
I

I
x y

Mcx Mcy

Mdx Mdy

I
z

Mcz

Mdz
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1.3 基于相平面法的推力器控制
• 主动稳定控制由敏感器、控制器、执行机构组成。
与被动稳定方案相比
• 优点：是可以保证更高的精确度和快速性， • 缺点：是结构复杂化，降低了可靠性，且增加了能源消耗，
因此适用于高精度要求和大扰动力矩的情形。
主动姿态控制的执行机构
• 推力器 • 飞轮 • 磁力矩器
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主要内容
三轴稳定航天器推力器控制 航天器推力器姿态控制系统 航天器姿态磁控制系统
u t
Tdy
r
+e
D
+1 u
e
推力器 Tjy +
-
O D
1 1
Iys
s

-1
正开区

零区
l2
D
俯仰轴姿态控制系统（带死区继电器）
l1
负开区
D

• 理想情况下，系统运动的相轨迹进入极 限环模式(自振荡)。
• 极限环宽度由姿态角度不灵敏区决定； • 极限环高度由姿态角速度敏感器(例如
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1.1 推力器控制特性
推力器作为姿态控制执行机构的特点：
• 可以在轨道上任何位置工作，不受外界其它因素的影响。 • 沿航天器本体轴产生的控制力矩远大于耦合力矩，可以实现
三轴解耦姿态稳定控制，使控制逻辑简单灵活。 • 产生的力矩大，过渡过程时间短。相比之下外部干扰力矩和
内部干扰力矩比喷气小得多，因此在姿态控制系统初步设计 时，可以忽略干扰力矩的影响。 • 所携带推进剂有限，适用于非周期性大干扰力矩的场合和工 作寿命较短的低轨道航天器。 • 推力器控制系统一般采用固定推力发动机和开关控制方式， 推力不连续，一般不能用于高精度控制。
• 对应的姿态控制力矩为
挡板
加热器
喷管
催化剂 衔铁
-M Mc 0
M
电磁铁
控制信号 u
• 继电系统的稳定状态是极限环自振荡。在这种系统的设计中， 重要的是选择自振荡频率和振幅。
• 推力器控制最适合于抵消具有常值分量的扰动力矩，即非周期 性扰动力矩，例如气动扰动力矩。
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航天器控制----(六)
航天器主动姿态稳定系统(1)
郭延宁 哈尔滨工业大学
航天器控制
姿态控制系统
姿态确定
姿态敏感器
姿态确定算 法
稳定方式
航天器控制
轨道控制系统
姿态控制 轨道确定 轨道控制
姿态稳定
执行机构
姿态机动
控制计算机
自主导航
非自主导航
轨道保持
轨道调整
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关于主动姿态控制
除了各种被动稳定方案以外，也可以利用控制系统实现对航 天器姿态的主动稳定控制。
M
M A
Iy



0 0
At
0t
0.5At 2
• 相轨迹方程

0
1 2A

2

2 0
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1.3 基于相平面法的推力器控制
1.3.1 基于角度反馈的继电控制律
u t
Tdy
r 0 +
5*
视频-推力器控制故障情况
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1.1 推力器控制特性
r ,r +
-
控制器 uc
推进系统
电磁阀
喷管
Td
Tj +
+
推进剂
,
星体
ˆ,ˆ
姿态敏感器 三轴稳定航天器推力器控制控制（俯仰轴为例）
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1.1 推力器控制特性
推力器喷嘴工作特性
• 若不计衔铁运动的时间，推 肼路 力器只有全开或全关的两种 状态，所以喷射推力F不是 零值就是某一常值。