旋转式太阳帆姿态动力学建模与控制

【摘要】旋转式太阳帆航天器是一种不同于传统类型的新型太阳帆,它不需要刚体结构支撑帆面,在太空中借助太阳帆自旋提供的离心力展开帆面并维持帆面平整,可以在发射前折叠包装成较小的体积,在太阳帆研究中具有十分重要的意义。旋转式太阳帆成功实现应用需要解决其帆面在轨展开、在轨姿态控制及柔性帆面振动抑制三个技术难点。本文将在现有旋转式太阳帆研究基础上,针对以上三个方面展开研究。对于旋转式太阳帆帆面展开问题,本文采用两步展开法展开旋转式太阳帆帆面,主要研究了在展开过程中起到决定性作用的第一步展开的太阳帆动力学特性。从分析其物理模型出发,建立了太阳帆帆面第一步展开的动力学模型。此外,文中采用改进的MK控制律,利用数值仿真成功验证了旋转式太阳帆的第一步展开。对于旋转式太阳帆的姿态角控制问题,本文采用了变反射率及传统的反作用喷气两种控制策略。由于上述两种控制策略的控制力矩作用在太阳帆航天器上的位置不同,文中分别建立了其对应的太阳帆姿态角控制动力学模型,并进一步采用粒子群优化控制和线性二次型最优控制仿真实现了太阳帆对最优目标姿态角的渐近跟踪。对于旋转式太阳帆帆面振动问题,本文从薄膜帆面振动机理出发,建立了旋转式太阳帆帆面振动动力学模型。然后针对该模型中状态量完全可测的情况下,设计了线性二次型最优控制器抑制太阳帆帆面振动；在考虑太阳帆航天器执行机构输出饱和的情况下,设计了输入受限抗饱和控制器抑制太阳帆帆面振动；在考虑太阳帆帆面振动模型只有部分状态可测的情况下,设计了输出反馈控制器抑制帆面振动。针对采用不同控制器控制旋转式太阳帆帆面振动分别进行了相关的数值仿真,数值仿真结果证明了方法的有效性。
【作者】刘萌萌；
【导师】梁青；
【作者基本信息】中国科学技术大学，导航、制导与控制，2014，硕士
【关键词】旋转式太阳帆航天器；展开控制；姿态控制；帆面振动抑制；

【参考文献】
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