姿态动力学作业

航天姿态动力学大作业 1 基于脉宽调制器的喷气姿态控制系统基于脉宽调制器的喷气姿态控制系统 航天姿态动力学大作业 2 1 题目 1 建立三轴稳定对地定向航天器的姿态动力学和姿态运动学模型 2 设计基于 PD 脉宽调制器形式的喷气姿态控制系统 3 完成数学仿真 具体要求 1 建立对地定向刚体航天器的三轴稳定姿态动力学和姿态运动学模型 222 222 512kg m 308kg m 620kg m 16kg m 12kg m 14kg m xyz xyxzyz III III 设航天器在圆轨道上运行 轨道角速度 0 0 0011rad s 要求姿态动力学动力学采用欧拉方程 姿态运动学模型采用 zyx 顺序欧拉 角的姿态运动学方程 2 假设姿态推力器的数学模型为理想的继电器特性 姿态推力器的标称推力为 4N 设计情况 B 在各轴上的力臂分别为 1m 1 25m 和 1 5m 3 设计 PD 脉宽调制器形式的数字式喷气控制器 要求姿态角控制精度优 于 0 5deg 设计情况 B 控制周期为 250ms 控制系统的调整时间低于 10s 阻尼 比为 07 4 在设计控制器参数时 要考虑采样 保持环节对控制性能的影响 建议 将采样 保持环节等效为 域的传递函数 按连续控制系统的方法进行设s 计 5 对上述设计结果进行数学仿真 比较在有 无最小脉宽限制两种情况下 控制精度和燃料消耗的情况 设推力器的最小脉冲宽度为 30ms 6 设卫星在三轴方向受到常值的气动干扰力矩 分别为 0 01Nm 0 005Nm 0 02Nm dxdydz TTT 重新设计控制器 以满足控制精度的要求 并给出数学仿真结果 航天姿态动力学大作业 3 二 方程建立 1 坐标系转换 欧拉角 坐标系转换 欧拉角 设坐标系是坐标系绕其某个坐标轴旋转一个角所形成的 称这样 的旋转过程为基元旋转 基元旋转的三种情况 即绕 x 轴 绕 y 轴 绕 z 轴的基元旋转 分别为 2 按按 zyx 顺序欧拉角的姿态运动方程顺序欧拉角的姿态运动方程 航天器采用 zyx 顺序旋转的欧拉角参数来描述星体坐标系相对轨道坐标系 的姿态 则星体姿态角速度矢量在星体坐标系下的分量列阵 可写为 式中 为航天器质绕地心的轨道角速度 3 欧拉方程欧拉方程 航天姿态动力学大作业 4 其中 为刚体相对惯性系的角速度矢量 为 在星体坐标下的分量列阵 在刚体固联坐标系下的分量式为 当刚体固连坐标系 fb与惯性主轴重合的时候 上式可以展开为 惯性并失 在星体固联坐标系下的坐标阵称为转动惯量矩阵 为推力器输出力矩 为外界常值干扰力矩 再设计要求中已给出 其中 设计系统中初始条件 令 所以简化为 三 程序设计 1 应用自动控制原理 写出闭环传递函数 考虑阻尼比 0 7 时 设计初值为 KP 600 700 600 KD 700 800 900 航天姿态动力学大作业 5 设定初始角度和角速度为 dy T j T 0 r u e PWM c T sG Tsam 2 1 y I s 将双积分环节编程欧拉方程 再将比例微分环节加入即可 3 仿真模块具体如下 其中比例微分环节设计为 姿态动力学部分采用了 M 文件编写 嵌套 simulink 模块中 航天姿态动力学大作业 6 四 仿真结果 1 角度响应 角度响应 航天姿态动力学大作业 7 响应时间为小于 10s 2 角速度响应 角速度响应 航天