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1、（OA自动化）李齐政自动化卫星姿态控制系统设计本科生毕业论文（设计）中文题目 卫星姿态控制系统设计 英文题目 The satellite attitudecontrol systemdesign 答辩组号 7 答辩序号 1 学院 通信工程学院 专业 自动化 吉林大学学士学位论文（设计）承诺书本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书
2、的法律结果由本人承担。摘要随着科学技术的进步，卫星技术及应用也在不断的发展，人们对卫星精度、稳定度的要求不断的提高，卫星姿态控制系统在其中的作用越来越重要，卫星姿态控制系统的设计和仿真也就成为了人们关注的热点。本文从卫星姿态控制系统设计的角度出发，建立了卫星的数学模型，并针对所建立的数学模型进行了控制系统的设计，最后搭建和实现相应的仿真系统。主要的工作有以下几个内容:首先，选定本文研究所应用的空间参考坐标系，主要介绍了两种姿态描述的方法，分别是欧拉角描述法和四元数描述法以及他们的转换关系。然后，分别利用这两种描述法建立卫星姿态动力学模型。其次，设计了PID控制器。PID控制算法应用广泛，参数易
3、于整定，所以PID算法被非常普遍的用于卫星系统。最后，基于MatlabSimulink进行了仿真，针对仿真结果进行分析证明PID控制器的有效性。关键词三轴稳定卫星卫星姿态控制PID控制方法仿真ABSTRACTWiththeprogressofscienceandtechnology,Satellitetechnologyanditsapplicationincontinuousdevelopment,Demandforsatelliteprecision,stabilityandcontinuouslyimprove,Thesatelliteattitudecontrolsystemisget
4、tingmoreandmoreimportant,DesignandSimulationofsatelliteattitudecontrolsystemhasbecomethefocusofattentionofthepeople,thispaperthedesignofthecontrolsystemfromtheangleofsatelliteattitude,Theestablishmentofmathematicalmodelofthesatellite,Andhascarriedonthepreliminarydesignofthecontrolsystemaccordingtoth
5、eestablishedmathematicalmodel,Thedesignandimplementationofthecorrespondingsimulationsystem,Themainworkisasfollows:Firstofall，thenumberoffouryuandescriptionequation,Thenusingthemethodofmultirigidbodymodeling,Accordingtothedifferentworkingconditions,Deducedthesatellitedynamicsequationcorrespondingtoth
6、e.Basedoncertainassumptions,Flexiblesatellitedynamicsequationsaregiven.Butalsoanalyzesthedisturbancebythesatelliteinspace,Andgivesthecorrespondingmathematicalmodel,Designofattitudecontrolsystemmathematicalmodelisestablishedto.Secondly,therearemanykindsofactuatorscancontrolthesatelliteattitude,oneofw
7、hichiszeromomentumreactionwheel.Byestablishingitsmathematicalmodel,therelationshipbetweenitsinputandoutputfunctioncanbederived,inordertostudythefeasibilityofthecontroller.ThePIDcontrollerdesign,controlofsimulationsystemanditseffectiveness.Finally,thesimulationresultsbasedonMatlab/Simulinkarecarriedo
8、ut,andthesimulationresultsareprovedtoprovethevalidityofPIDcontroller.KeywordsThree-axisstabilizedsatelliteattitudeofsatellitePIDcontrolmethodsimulation目录第一章绪论11.1课题背景和研究意义11.2卫星姿控当前的发展情况31.3本论文的主要研究内容11第二章卫星姿态控制系统建模122.1零动量轮控制系统122.2卫星姿态控制系统运动学模型142.3卫星姿态控制系统动力学模型172.4建立执行机构的数学模型182.5本章小结22第三章姿态控制PI
9、D控制算法设计233.1PID控制算法的优势对比233.2PID简介243.3PID控制器系统设计283.4本章小结29第四章基于Simulink建模及仿真304.1MatlabSimulink仿真环境介绍304.2基于MATLAB/SIMULINK的仿真分析304.3本章小结32结论34参考文献35第一章绪论设计一个卫星最关键的问题就是姿态控制系统的设计，这需要有相当的稳定度和精度，而且要在使用时间和稳定性上进行不断的提高，所以现在对卫星的控制系统的精度和稳定性的要求也越来越高了1。姿态控制系统需要具有高度的可扩展性和强大的输入输出功能。人类不断的去追求社会的发展，其认知领域和活动范围已经无
10、法局限在地球范围内了，所以对太空的探索得到了空前的发展。现代科学技术为增长最快的一个复杂的技术，航天技术是现代科学技术和工业的高度聚集的基础，太空技术不仅可以衡量其国家的科技水平，更能够反映其国家的综合实力。太空技术的发展促进了现代社会的发展，对探索太空的奥秘起到了显著成效。1.1课题背景和研究意义1.1.1课题的背景伴随着时代的进步，科学技术得到了长足的发展。作为一个可以衡量国家科技能力的航天技术，逐渐受到各国的重视而成为了重点发展对象。航天技术是人类探索宇宙的有力武器，它也带来了非常巨大的社会上的效益与经济上的效益。空间站和气象的卫星与航天飞机以及进行科学探测的卫星和通信的卫星等不仅仅是人
11、类去探索浩瀚宇宙的奥秘的成功的标志，而且使人类的生活发生了巨大的变化。航空与航天的技术的发展水平是反映一个国家的军事上的实力和经济上的实力的重要标志。我国的航天事业从建国到现在已经得到了迅速的发展，继1970年我国发射了第一颗人造卫星“东方红一号”以来，已经自主研制并且发射了大约70多颗卫星，这些卫星在进行地形勘测和自然灾害预测与天气预报以及军事侦察中得到了广泛的应用。神州5号飞船的发射成功更是标志着我国的航天事业迈上了一个新的台阶。航天的业务中的一个非常重要的组成部分就是卫星，我国从开始到现在一直花费非常大的精力对它进行研究。卫星的设计中的一个重要的问题就是是姿态的确定与控制，姿态的确定是研
12、究这个卫星相对于某一个坐标系的姿态的定位，卫星姿态的控制就是指卫星在预先就确定的方向上的定向。在轨道中运行的卫星一般都承担着一定的探测与开发以及合理利用空间的任务，为了去完成这些任务，对卫星的姿态提出了各种各样的要求，这么多的要求全都可以归纳为姿态的控制。姿态确定系统它是姿态控制系统中的一个重要的组成部分，它的精度是影响姿态控制系统的精度好坏的决定性的因素。姿态确定的主要业务就是通过姿态敏感器的测量信息，去精确的估计卫星的三轴姿态的信息，一个方面可以为姿控系统提供信息上的反馈，可以用来更好地对卫星进行姿控；另一个方面是可以提供给有作用的载荷去使用。姿态的确定系统的主要组成部分是姿态敏感器与相对
13、应的姿态信息的处理算法，姿态确定的精确度不仅仅取决于姿态的测量系统的硬件功能和精确度，它还与姿态的估计算法有关系。传统的卫星姿态确定系统中一般都配置了陀螺，用来提供角速度的信息，但是由于陀螺它存在着漂移导致的误差，所以一般的卫星姿控系统都是把陀螺作为它的参考基准，然后配以其他姿态敏感器对陀螺的漂移进行校正。顺应对卫星的精度高和寿命高以及可靠性高的发展趋势的要求，对卫星的姿态确定和控制系统的要求也变得越来越高，因此学者研究的热点就是精确度高的姿态确定系统和姿控系统。1.1.2研究意义在新中国成立之后，中国的航天事业创造了一个又一个的辉煌的成绩，这几十年来我国独立自主的研制成功了几十颗人造地球卫星
14、，其中，通过利用星载可见的光照相机等遥感仪器的遥感卫星可以获得大量的对地球观测的照片，这些照片具有分辨力非常高、比例尺非常合适、畸形变化很小、覆盖的范围很广阔、可以连续的进行观测、视点非常高、可以获得大量的对地观测的照片、视域非常广阔、获取数据非常快等诸多优点，它现在已经成为了国家制定环境保护的策略、资源的开发与利用的不能缺少的技术上的支持,现在已经广泛的应用于科学研究上、工农业生产上、军事侦察方面、环境保护的领域，包括普查国土、勘探石油、调查地质、铁路的选线、海洋海岸的测绘、地图的测绘、目标点的定位、电站的选址等许许多多个领域2,3。由于遥感卫星的特殊功能要求，所以大都采用三轴稳定的控制方式
15、，这种控制方式能够保证指向的精确度和控制的稳定度等技术指标的要求。如果要保证遥感卫星的高精确度、高可靠性和高稳定性的在轨道长期运行，就必须保证拥有足够高的指向精确度和控制的稳定度。卫星的姿控系统对卫星的姿态精确度与稳定度起到了决定性的作用。姿态确定是卫星本体坐标系相对于参考坐标系的姿态的定位的过程，而姿控是卫星本体坐标系向参考坐标系的定向过程。近年来随着卫星技术的不断的提高，各种各样的空间任务对卫星姿控的精确度要求也变得越来越高4。比如，对地球观测的卫星的指向精确度从上个世纪七十年代到本世纪初由1。提高到了O001。5，卫星寿命则提高到了好几十年。这就意味着高精确度姿控技术迎来了更快的发展，同时这也意味它面临着更多的挑战。卫星其实是一个非常精密的航天器的设备，并且它的造价非常的高昂，一旦发射进入太空中就很难对它进行维护，这对卫星研发工作带来了非常巨大的困难，这要求卫星上的各类系统与设备拥有着非常高的稳定性。同时也由于它的成本比较高，而且运行环境是外太空环境，所以在地面很难对它进行非常全面的
