线性系统理论应用-航天器飞轮系统姿态控制讲解.ppt

线性系统理论的应用 航天器飞轮系统姿态控制 一院九队 路意 付升升 状态空间模型 性能指标 黎卡提方程 最优估值器 目录 什么是飞轮系统 状态空间描述 性能指标泛函 黎卡提方程 最优估计器 （1min） （30sec） （3min） 什么是飞轮系统 飞轮三轴姿态稳定系统的工作原理是动量矩定理，即航天器的总动量矩矢量对时间的导数等于作用在航天器上外力矩矢量之和。由于飞轮是以内力矩作为控制力矩，所以当外力矩矢量和为零时，航天器总动量矩守恒。 于是通过改变飞轮的动量矩矢量，就可以吸收航天器其余部分多余的动量矩矢量（干扰或由于机动需要减去的），从而达到航天器姿态控制的目的。因此，飞轮姿态控制系统也通称为动量交换系统，飞轮也可称为动量矩储存器。 动力学方程→状态空间描述 经简化后的俯仰、偏航、滚转三通道的动力学方程 性能指标 以状态矢量X和控制矢量u的二次型积分期望作为性能指标泛函： 第一项表示希望状态矢量在控制过程中能保持在状态空间原点附近 第二项表示希望控制过程中不耗费过多的能量 第三项表示希望控制结束状态矢量能在原点附近 最小方差估计 最大似然估计 极大验后估计 线性最小方差估计 加权/最小二乘估计 黎卡提方程（Riccati方程） 黎卡提方程在控制理论中主要是用来求解线性二次型最优化问题的。针对选定的线性二次型性能指标，我们可以得到对应的黎卡提方程。如果黎卡提方程有镇定解，那么该线性二次型最优化问题就有解。 《浅谈黎卡提方程的求解》 最优估计器 P2为协方差矩阵，由下面的黎卡提方程求得，R2、Q2与随机干扰和测量噪声有关。 P20为状态误差的协方差矩阵的初始值 《最优状态估计与系统辨识》 姿态敏感器不能测得全部的状态变量，因此用于反馈的状态可由估计器提供。系统状态矢量的最优估计值可由如下估计器给出： THANK YOU 《航天器飞轮系统姿态控制》 小组成员： 路意 （一院九队） 付升升 （一院九队） PPT共8页，封面1页，封底1页，目录1页，内容5页 内容页1：介绍飞轮系统 内容页2：介绍飞轮系统的动力学方程和状态空间描述 内容页3：介绍性能指标泛函 内容页4：介绍黎卡提方程 内容页5：介绍最优估计器 * (1) 飞轮可以给出较精确的连续变化的控制力矩，可以进行线性控制，而喷气推力器只能作非线性开关控制。因此飞轮的控制精度一般比喷气推力器的高一个数量级，而且姿态误差速率也比喷气控制小。 (2) 飞轮所需要的能源是电能，可以不断通过太阳能电池在轨得到补充，因而适合于长寿命工作。喷气推力器需要消耗工质或燃料，在轨无法补充，因此其使用寿命大大受限，基本上与航天器携带的工质或燃料质量成正比，而且还有长期密封问题。 (3) 飞轮控制系统特别适合于克服周期性扰动，而中高轨道卫星所受的扰动基本上是周期性的。 (4) 飞轮控制系统能够避免热气推力器对光学仪器的污染。 * 《航天器飞轮系统姿态控制》 小组成员： 路意 （一院九队） 付升升 （一院九队） PPT共8页，封面1页，封底1页，目录1页，内容5页 内容页1：介绍飞轮系统 内容页2：介绍飞轮系统的动力学方程和状态空间描述 内容页3：介绍性能指标泛函 内容页4：介绍黎卡提方程 内容页5：介绍最优估计器 * (1) 飞轮可以给出较精确的连续变化的控制力矩，可以进行线性控制，而喷气推力器只能作非线性开关控制。因此飞轮的控制精度一般比喷气推力器的高一个数量级，而且姿态误差速率也比喷气控制小。 (2) 飞轮所需要的能源是电能，可以不断通过太阳能电池在轨得到补充，因而适合于长寿命工作。喷气推力器需要消耗工质或燃料，在轨无法补充，因此其使用寿命大大受限，基本上与航天器携带的工质或燃料质量成正比，而且还有长期密封问题。 (3) 飞轮控制系统特别适合于克服周期性扰动，而中高轨道卫星所受的扰动基本上是周期性的。 (4) 飞轮控制系统能够避免热气推力器对光学仪器的污染。 *