基于Simulink实时工具的小卫星姿控物理仿真

应用研究 王屹裴蓓基于 S i mu l i n k实时工具的小卫星姿控物理仿真 5 3 基于 S i mu l i n k实时工具的小卫星姿控物理仿真 王屹 裴蓓 长春职业技术学院 工程技术分院 吉林 长春1 3 0 0 3 3 摘要 针对小卫星姿态控制系统的设计和研制需要 应 用高精度单轴气浮 台模拟小卫星在轨运行 时的微重力 无摩擦 的环境 借助 S i mu l i n k模块库建立 了实时控制 系统软件模型 利 用反作用飞 轮 光纤陀螺 数显表 控制计算机等物理设备快速构建了简化的小卫星姿态控制仿真硬件系统 并进行了姿态控制物理仿真实验 实验结果表明 仿真系统具有较高的姿态指向精度和稳定度 能够达到 小卫星姿 态控制仿真要求 关键词 小卫星 姿控物理仿真 实时工具 中图分类号 T P 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 6 1 6 2 0 1 1 1 5 0 0 5 3 0 4 小卫星控制系统物理仿真是集控制理论 控制 计算机技术 数据处理技术 信息通信技术及相似 性原理等的一项综合性技术 目前 国内外在卫星 控制系统研制过程中 都在进行以各类气浮转台为 对象的地面仿真 卜2 l 对卫 星在轨运行 时姿态控 制系统的稳定性 可靠性和控制系统动态性能进行 地面验证 本文对小卫星姿控物理仿真系统进行设计 利 用高 精 度 单 轴 气 浮转 台 反 作 用 飞轮 P C一 1 0 4 5 8 6 S E V及串口卡 光纤陀螺 圆感应 同步器 数 显表等硬件条件和 MA T L A B S i mu l i n k实时工具 硬件驱动包等软件资源 建立了小卫星物理仿真系 统 同时对该仿真系统进行了姿态控制算法仿真 1 小卫星姿控物理仿真系统简介 中低轨道 的小卫星姿控仿真系统 的测量部件 主要采用光纤陀螺 同时用数显表的数据处理后来 模拟星上的光学敏感器的姿态信息输 出 执行部 件主要有框架控制力矩陀螺 推力器等 姿态控制 程序在台上仿真计算机 中运行 接收并处理敏感器 信息 计算控制指令并发送 小卫星仿真中的主要 工作 内容如下l 3 4 J a 小卫星轨道环境分析 对于 中低太阳同步近圆轨道 的空间环境 小卫 星将受到较大的气动力矩 剩磁力矩 重力梯度力 矩和较小的太 阳光压力矩 而相应的仿真实验 中 要对系统所在环境的干扰进行评估和测量 b 小卫星姿态建模 小卫星姿态一般以非线性六 自由度方程来描 述 而特殊情况下要考虑挠性和液体晃动的影响 e 性能分析和系统控制方案的选择 通过仿真可以实现系统 的控制 包括明确小卫 星控制系统所要达到的控制指标 采用的姿态测量 敏感器的精度需求及组合形式 相应 的确定算法 姿态控制的算法 执行机构 的种类 力矩精度和角 动量 的容限 控制计算机的性能 控制周期 的确定 以及控制器稳定性分析等 d 小卫星仿真系统数据的下传 对于小卫星仿真实验 对实验数据的记录和处 理十分重要 台上数据主要有转台的角速度数据 姿态角度误差数据 飞轮转速数据 工作模式数据 等 这些数据的采集将为控制系统设计和分析提供 重要依据 e 小卫星姿控的离线设计 和数学仿真 基于实验数据对小卫星数学模型进行修改和 校核 使之更接近实际 这样对控制系统 的设计将 更有效率 在这个环节需做到离线设计与实时仿 真实验基本吻合 这样设计出来的控制系统才更有 实用价值 2 基 于 实 时工具 的小 卫 星姿控 物 理 仿真系统组成 2 1实时仿真工具介绍 x P C Ta r g e t 是 Ma t h Wo r k s中的一个工具箱环 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 1 O 作者简介 王屹 1 9 6 4 一 女 吉林长春人 长春职业技术学院副教授 主要从事自动化技术方面的教学与实践工作 5 4 2 0 1 1 年 8 月 中国制造业信息化第4 0 卷第 1 5 期 境 它是在标准的 P C兼容机下运行的一种实时系 统 在 x P C T a r g e t环 境 下 用 户 可 将 安 装 了 MAT L AB S i mu l i n k和 S t a t e f l o w 软件 的 P C机作 为宿主机 可 以用 S i mu l i n k和 S t a t e f l o w建模工具 来建立用户所需 的模型并进行非实时 的仿 真 然 后用 R T V S t a t e fl o w代码生成器和 C编译器来生 成可执行代码 在第二个 P C兼容机上进行 实时的 运行 图 1显示 了 x P C T a r g e t 与其他被控 被测 对象等硬件组成的应用系统 2 2 基 于实时仿真 工具的 小卫 星姿控仿 真 系统组成 8 硬件组成 基于实时仿真工具的小卫星姿控仿真系统 的 硬件结构如图 1 所示 图 2是 已经搭建完成的基于 实时仿真工具的小卫星姿控仿真系统实物图 一 数据 审源 图 1 基 于 MA T L A B实时工具 小卫 星姿控 仿真 系统硬件 结构 图 图 2小卫 星姿控 买时仿真 系统 实物 图 姿控计算机采用 P C一1 0 4工业计算机 奔腾 5 8 6 处理器 主频 1 3 3 MHz 外扩程序存 储 2 5 6 M 可编程中断 1 5个 支持 实时操作系统 其 I S A ej 线可方便 扩展 串口 A D D A I O等功能 卡 其 功能可以满足仿真系统的需要 执行机构采用反作用飞轮 主要技术指标 饱 和角动量为 1 0 0 N m s 最大输 出力矩 为 0 1 N m 最大转速为 6 5 0 0 r mi n 敏感器采用俄罗斯 的 VG 9 5 1 一D光纤 陀螺 其主要技术指标 测量范 围为 8 0 i s 随机游走为 0 1 5 h 3 o 测量精度为 0 0 0 1 s 常值漂 移 1 h 同时利用数显表的输出来对陀螺进行最小方 差滤波 以去除陀螺的漂移 利用软件模型来模拟 小卫星在轨工作 时不 同工作模式下 的敏感器 的姿 态信息 采用蓄电池为仿真系统供电 利用 D C D C模块进行电平转换 应用蓝牙 串口完成仿真系统和台下计算机的 工程数据传输 利用无线局域 网进行程序的下载 和过程控制 b 小卫星姿控物理仿真软件系统 基于 S i mu l i n k实时工具的小卫星姿控实时仿 真系统的软件结构如图 3所示 其软件主要包括 姿态控制模块 敏感器数据采集模块 小卫星动力 学与运动学模块和执行机构操控模块 图 3 姿 态控制仿真 系统软件构成 图 姿态控制在轨运行工作模式 自主切换模块是 利用 S i mu l i n k库里 面的 S t a t e f l o w模块 状 态流 S t a t e fl o w 是一个 图形设计和开发工具 用来处理 复杂的控制和监控逻辑问题 敏感器模块包括星敏感器模块 太阳敏感器模 块 陀螺模块 磁强计模块 G P S模块等 模拟相应 姿态控制工作模式下的姿态 确定信息输入 姿态控制模块主要包括小卫星姿态控制仿真 算法 对不同的工作模式控制算法各不相同 执行 机构驱动模块主要是进行执行机构的初 应用研究 王屹裴蓓基于 S i mu l i n k实时工具的小卫星姿控物理仿真 5 5 始化 启动 运行 停止 故障清除 转速获取等操 作 2 3 小卫星控制的动力学模型和控制器设 计 a 小卫星的动力学模型 设小 卫星质 心为 0 建 立其 星体 坐标 系 O x b y b z b 它与卫星固连 设 卫星在 O x b y b z b坐标 轴中的转动惯量阵为 J 小卫星姿态转动 的角速度 矢量在 O x b y b z b 3个坐标轴上的投影分别为 记 T 则可以证 明 卫星 对质心 0 的动量矩 Ox b y b z b坐标系 中的分量 可表示为 H 1 t o 1 设作用在卫星上的外力矩为 1 根据动量矩定 理有 4 H c T 2 记 Hc在 O x b y b z b中的变化为 则有 直c Hc T 3 r 0 一CO C O y 其中 I co 0 一 C O x l 将 H c 砌 代人 C O x 0 J 式 3 得小卫星的动力学模型为 I i o J 幻 T 提高系统的稳态精度 控制方程为 T k D J t o d t k d X O J k i x J E d t 7 式 中 志 是 比例控制系数 k d 是 阻尼控制系数 k i 是积分控制系数 E 是稳态误差的累积 T 为控 制力矩 为实现高精度控制 需要对陀螺值进行滤 波和估计 去除惯性部件的漂移和削弱噪声的影 响 3 仿真 仿真控制对象是转动惯量约为 2 0 1 2 1 6 2 3 4 k g m 2 其中俯仰轴为单轴气浮平台模拟 其 他两轴由数学模块构成 而干扰力矩量级为 l 0 3 N m的气浮转台 反作用飞轮最大有效力矩输出 0 0 4 N m 采用 P I D算法的姿态三轴稳定控制仿 真结果如下 图 4 图 6是仿真期间姿态角的变 化 其纵轴表示姿态 角 图 7 图 9是仿真期间 姿态角速率变化 纵轴表示角速率 s 0 O 5 0 0 4 O O 3 O O 2 O 0l O 0 01 O O 2 0 0 3 0 0 4 r J l 2 5 5 O 7 5 1 O O 1 2 5 1 5 O 1 7 5 2 o o 2 2 5 4 b 小卫星运动学模型 设小卫星本体坐标系相对于参考坐标系 的三 轴欧拉 角为 0 相对变化 为 则小卫 星的动力学模型为 5 I C O x C O S o z s i n I l 一t a n 6 一w s in 0 0 s 6 l 5 L c o s 一O x s in O 一 0 O s l0 0 s J 当小卫星在轨正常三轴稳定模型飞行时 星体 的欧拉角 姿态角速度都可视为小量 则式 5 又可 简化为如下形式 5 一0 9 0 l ro y l l 一 C o 0 I 6 L J o J 0 J C 控制器设计 对于实时仿真系统 采用 比较实用 设 计简单 的 P I D控制器 用积分环节补偿干扰力矩 的影响 O 1 O O O 8 0 o 6 0 0 4 0 0 2 0 一O 0 2 0 0 4 O 1 2 O 1 0 O O 8 O O 6 0 0 4 O 0 2 0 O 0 2 图 4 俯 仰轴稳定控制姿态 角 j l t 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l o 0l 2 O 1 4 0 l 6 0l 8 O 2 0 0 2 2 0 2 4 0 t s 图 5 偏航轴稳 定控 制姿态 角 一 5 6 2 0 1 1 年 8 月 中国制造业信息化第4 0 卷第 1 5 期 O O l 5 0 0l 0 0 0 0 5 0 0 0 05 O 0l 0 l J l J U I 1 I I 1 rT Y U 1 f Y 1 r T 1r T T r r l 2 5 5 0 7 5 1 O 0 1 2 5 l 5 0 1 7 5 2 0 0 2 2 5 2 5 0 S 图 7 俯仰轴稳定控制姿 态角速度 I 们 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 l 6 O l 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 t S 图 8 偏航轴稳 定控制姿 态角速度 角速度仿真控制精度为 0 0 0 5 s 表 明被设计的 控制仿真系统能够满足小卫星研制需要 4 结束语 小卫星的研制过程中 数学仿真和半物理仿真 是极 为 重 要 的 设 计 验 证 方 法 本 文 对 使 用 S i mu l i n k中的x P C 实 时工具 和简易姿态控制 部件 州 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 l 2 0 l 4 0 l 6 0 l 8 O 2 0 0 2 2 0 2 4 0 t s 图 9滚 动 轴 稳 定控 制姿 态 角 速度 搭建仿真平台进行 了研究 x P C实时工具功能强 大 搭建简便 灵活 节约成本 适于对仿真系统进 行快速开发 但也出现了如对于信息采集滞后 刷 新频率较低 模块优化的工作量较大的问题 因此 还有待进一步深入研究 参考文献 1 王宁强 基 于 MATL AB的卫星姿 态控制半 物理实 时仿真平 台 J 系统仿真学报 2 0 0 5 7 1 6 l 7 1 6 2 0 2 马培蓓 d S P AC E实时仿真平 台软件环境 及应用 J 系统仿 真学报 2 0 0 4 4 6 6 7 6 7 0 3 余涌涛 基于 S I MU L I N K的卫星姿控系统的仿真实现 J j 计算机仿真 2 0 0 6 1 1 7 1 7 4 4 邢超 李 言俊 张科 基于 MA TL A B S i mu l i n k的实 时控 制实验环境 J 计算机应用与软件 2 0 0 4 2 1 3 6 6 6 7 5 章仁为 卫 星轨道姿态动力学与控制 M 北京 北京航 空航 天大学出版社 1 9 9 8 S i mu l a t i o n o f S ma l l S a t e l l i t e At t i t u d e Co n t r o l Ba s e d o n S i mu l i n k Re a l t i me To o l b o x W ANG Yi PEI Be i C h a n g c h u n P r o f e s s i o n a l T e c h n o l o g y I n s t i t u t e J i l i n C h a n g c h u n 1 3 0 0 3 3 C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o d e s i g n a n d d e v e l o p t h e a t t i t u d e c o n t r o l s y s t e m f o r s ma l l s a t e l l i t e i t b u i l d s t h e p h y s i c s mo d e l o f a t t i t u d e c o n t r o l f o r s a t e l l i t e b a s e d o n S i mu l i n k r e a l t i me t o o l b o x a n a l y z e s c h a r a c t e r i s t i c o f s i mu l a t i o n o f a t t i t u d e c o n t r o 1 S i mu l a t i o n mo d e l c o n s t r u c t s t h e e n v i r o n me n t wi t h mi c r o g r a v i t a t i o n a n d l o w f r i c t i o n b y h i g h p r e c i s e s i n g l e a x i s a i r b e a r i n g p l a t f o r m I t u s e s S i mu l i n k t o o l o f I A TL A B t o e s t a b l i s h r e a l t i me c o n t r o l mode 1 Ha r d wa r e s y s t e m c d mp o s e s f l y wh e e l f i b e r g y r o s c o p e d i g i t a l a n g e l ma t e r a n d c o n t r o l c o mp u t e r e t c Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s h o ws t h e s y s t e m i