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对比当前的国内外主要的诸如自适应[1]、变结构[2]、H∞[3]-[5]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，预期达到的目标序号阶段及内容起讫日期阶段成果形式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3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日考虑摩擦的三通道姿态计控制系统7学习卫星姿态动力学模型和Simulink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9设计基于状态观测器的变结构卫星姿态控制系统，进行仿真2015年5月1日至2015年5月20日仿真曲线10尝试改进控制策略，改善控制效果2015年5月21日至2015年6月6日优化的仿真曲线11总结研究结果，撰写论文。2015年6月7日至2015年6月20日最终论文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]IwensRPetal.DesignStudyforLandsat-DAttitudeControlSysterm.N77-24171,1997[4]林来兴,蒋维禧.零动量和偏置动量混合三轴姿态控制.控制工程[J].1984.(2):2-9[5]吕灵灵，马强.控制理论在卫星姿态控制中的应用.华北水利水电学院学报[J].2012.(01):8-12[6]王峰，张世杰，曹喜滨.小卫星飞轮低速摩擦补偿观测器及半实物仿真.系统仿真学报[J].200517(3)：613-616.[7]王炳全，李瀛，杨涤．改善反作用轮低速性能的补偿观测器方法．空间科学学报[J].1999，19(4)：362－367.[8]李书训，姚郁，马杰．基于观测器的伺服系统低速摩擦补偿分析．电机与控制学报[J]．2000，4(1)：27-30.[9]StetsonJBJr.Reactionwheellow-speedcompensationusingadithersignal.J.Guid.Contr.Dyn.1993,16(4):617-622.[10]B.Q.Wang,K.Gong,D.Yang,J.F.Li,FineAttitudeControlbyReactionWheelsusingVariable-structureControllers,ActaAstronautica52(8)(2003):613-618.[11]张锦江，陈兴林，冯汝鹏，王常虹．基于摩擦自适应补偿的转台变结构控制器设计[J]．哈尔滨工业大学学报,2000，32(4)：92-95.[12]杨宁宁，杨照华，余远金.基于机械飞轮干扰补偿的小卫星自适应滑模变结构姿态控制.航天控制[J].2013，3（11）：51-57[13]赵学民.反步自适应滑模变结构的小卫星姿态鲁棒容错控制.计算机工程与应用[J].2012，48（19）：220-224[14]程月华，姜斌，孙俊，樊雯.基于滑模观测器的卫星姿态控制系统滑模容错控制.上海交通大学学报[J].2011，45（2）：190-201[15]童克文.滑模变结构控制及应用.电气应用[J].2007,26(3)：6-10.[16]康宇,奚宏生,季海波.有限时间快速收敛滑模变结构控制.控制理论与应用[J],2003,21(4):623一626.[17]蒋睿，魏蛟龙，岑朝辉.基于四元数反馈的卫星姿态控制系统仿真模型建立.系统仿真学报[J].2009，21（19）：6260-6265.[18]费从宇，李英堂．飞轮转速过零时卫星姿态的非线性控制．中国空间科学技术[J]．2001，01(5)：21-24