基于Modelica的卫星动力学与姿态控制系统建模与仿真分析

作     者：史世杰 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈立平

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：卫星姿态控制 旋转载荷舱 Modelica 故障仿真 

摘      要：随着航天科学技术的发展,卫星的工作任务也变得多种多样,一些设备的工作需要保持一定的旋转速度,使得卫星需要携带具有较大质量的旋转载荷舱。然而由于载荷舱制造工艺、安装偏差等实际因素的影响,导致载荷舱质量分布不均,因此在载荷舱转动工作时,会给卫星带来干扰力矩,影响星体姿态稳定。本文旨在通过多领域建模语言Modelica,对含有大质量旋转载荷舱的卫星进行建模仿真,研究卫星载荷舱与平台舱之间的动力学耦合以及姿态控制问题。首先,对空间坐标系,卫星的姿态描述以及卫星动力学与姿态控制系统结构组成进行了介绍。并基于模型重用,便于扩展的思想,对卫星Modelica模型的组织结构进行了设计,随后依据各个基础组件的工作原理,实现了卫星平台舱,载荷舱,平衡轮,四斜装反作用飞轮,误差四元数控制器,敏感器的Modelica模型,并可以方便地对卫星动力学组件不平衡参数进行设置,为后续系统级模型的搭建奠定基础。其次,基于卫星Modelica基础模型,以某型号卫星为研究对象,搭建了其动力学系统模型,研究不平衡载荷舱旋转对卫星平台舱姿态的影响。并对平衡轮正常与故障两种情况下的平台舱动力学特性进行了对比,验证了平衡轮的工作效果。随后对载荷舱转速噪声干扰,质心偏差,转轴偏差等情况进行研究,发现载荷舱的长时间旋转工作,会给卫星平台舱带来累积的姿态偏差,其中轴偏对平台舱动力学影响较大,严重时会造成平台舱姿态的不稳定。最后,基于卫星Modelica动力学模型和基础组件模型,搭建了卫星的闭环姿态控制系统模型,实现卫星初始姿态到期望姿态的机动仿真,并对控制器参数进行了整定优化,提高了系统的响应速度与控制精度。然后对载荷舱旋转,噪声干扰,质心偏差,转轴偏差等情况下姿态控制系统的有效性和准确性进行了仿真分析。随后针对系统单个飞轮故障和故障后控制信号分配修正两种情况展开仿真研究,验证了卫星姿态控制系统的可靠性。