题目：基于磁悬浮飞轮的小卫星姿态稳定控制及实验研究

磁悬浮飞轮具有微振动、无摩擦等优势，是未来对地观测小卫星首选和必备的姿态控制执行机构。磁悬浮飞轮采用磁轴承，由于磁间隙存在，磁悬浮飞轮转子产生径向偏移，使得基于磁悬浮飞轮的卫星姿态动力学模型更加复杂，对姿态控制器要求更高。针对基于磁悬浮飞轮的卫星姿态控制，本文详细推导了基于磁悬浮飞轮的卫星姿态动力学模型，考虑系统特点设计了多种姿态控制器并进行了硬件在回路仿真实验，为实际应用提供技术基础。本文的主要工作如下：首先，基于牛顿-欧拉法建立了基于磁悬浮飞轮的卫星姿态动力学模型，通过整理方程使其具有传统带飞轮的卫星姿态动力学模型形式。为了获得磁悬浮飞轮转子径向偏移量建立了动基座下的磁悬浮飞轮转子动力学模型；其次，针对系统非线性及系统存在转动惯量不确定和受到空间环境干扰等问题，设计一种基于Lyapunov方法的滑模姿态控制器，针对滑模控制器固有的抖振问题，分别采用模糊控制方法和采用双曲正切函数替代符号函数方法对控制器进行改进。仿真结果表明，这两种控制器各有利弊，模糊滑模姿态控制器鲁棒性好，但是仍存在小的抖振，而采用双曲正切函数的滑模姿态控制器完全避免了抖振，但鲁棒性减弱；最后，进行基于分布式实时仿真机和磁悬浮飞轮的卫星姿态控制硬件在回路仿真实验。实现仿真机与磁悬浮飞轮的实时通信，并完成磁悬浮飞轮分别作用在横滚、俯仰和偏航轴上的仿真实验。实验结果表明，采用磁悬浮飞轮完成卫星姿态的控制，验证了所设计控制器的有效性。