衛星姿態控制

Abstract

本論文主要是在研究衛星姿態控制的理論以及控制法則的分析及設計。對於一個人造衛星而言，其運動是由衛星的位置、速度、指向運動所決定。因為受到內在和外在干擾的擾動力矩，使得指向的穩定性受到影響。因此，我們由系統的強健穩定性的觀點，提出二種控制方法應用在穩定衛星的姿態：首先利用LQR方法來獲得一個穩健的控制器。此外，利用可變結構理論（Variable Structure Control）我們可以設計另一控制器來抑制外界干擾對系統的干擾。由於傳統利用符號函數（sign function）的可變結構控制器都會伴隨切跳（Chatting）現象的發生，在本論文中，我們引用一組連續的VSC控制器[11]來降低切跳現象並達到漸近穩定的目的。由模擬結果可以得知，可變結構控制可以得到較佳的性能，系統可以在較快的時間之內到達穩態，並且可以調整參數來控制狀態收斂的速度。

In this thesis, we study the attitude control of satellite systems. The dynamics of satellite is governed by its position, velocity, and orientation. It is known that orientation of satellite is affected by the inner and outer disturbance torques acting on the craft. In this thesis, we propose two robust control schemes to compensate for the disturbances. One is the Linear Quadratic Regular scheme and the other is the Variable Structure Control technique. It is shown that the attitude control mission of satellite can be achieved through the two proposed schemes. Simulations and the effects by the two control schemes are also given to demonstrate the primary results. Abstract 誌謝 圖目錄 表目錄 第一章、緒論 1.1 研究動機與目的 1.2 論文架構 第二章、剛體的三維動力學介紹 2.1 座標軸系統 2.1.1 慣性座標系 2.1.2 參考座標系 2.1.3 軌道座標系 2.1.4 地表座標系 2.1.5 相對速度及相對加速度 2.2 剛體的角動量與尤拉運動方程式 2.3 尤拉角表示法 第三章、姿態控制系統 3.1 姿態控制系統簡介 3.2 衛星運動方程式的推導 3.3 環境干擾力矩 3.3.1 重力梯度 3.3.2 磁性干擾力矩 3.3.3 氣動力力矩 3.4 控制器推導 3.4.1 當系統未加入干擾力矩 3.4.1.1 LQR控制 3.4.2 考慮干擾力矩 3.4.2.1 Pitch Control Loop 3.4.2.2 Roll/Yaw Control Loop 3.4.2.3 動量卸載 3.4.2.4 可變結構控制設計 第四章、模擬結果 第五章、結論 參考文獻 附錄Ａ、VSS Simulation Program