● 摘要
本论文研究含控制力矩陀螺(CMGs)的航天器的能量/姿态一体化控制系统(IPACS)的分析与设计问题。首先采用拟坐标下的Largange方程及角动量定理，建立了以变速控制力矩陀螺（VSCMGs）为执行机构的多挠体航天器的IPACS数学模型，并对VSCMGs进行了动力学分析。该模型具有很强的通用性，只需简单处理就可用于采用EMWs为执行机构或采用常速CMGs与EMWs组成的混合执行机构(CMGs & EMWs)的IPACS。 接着，研究了航天器姿态控制问题。应用Lyapunov理论设计了航天器姿态跟踪控制器。在航天器转动惯量未知情况下，设计了自适应姿态控制器。采用状态相关的Riccati方程(SDRE)方法设计了挠性航天器的姿态跟踪控制器。如果将期望姿态设为常值，该控制器实际上退化为一个次优的姿态机动控制器。采用三种典型的方法对SDRE控制器进行了求解，并比较了三种求解方法的计算效率。 给出了关于IPACS的一些新定义，并在此基础上对采用VSCMGs的IPACS进行了奇异性分析。通过Largange乘子法推导了VSCMGs转子饱和及VSCMGs饱和的条件。给出了VSCMGs存在转子转速限制时IPACS角动量包络面的求取方法。给出了VSCMGs遭遇IPACS奇异的充要条件。分析了星体角速度对IPACS奇异性的影响。提出了采用CMGs & EMWs的IPACS概念，借助于VSCMGs的研究结果对CMGs & EMWs进行了奇异性分析，并对CMGs & EMWs进行了系统评价。 忽略VSCMGs框架角加速度的影响，设计了IPACS的混合模式操纵律与双模式操纵律。对前者，首先从几何角度出发，提出了一种新的CMG奇异度量，该度量具有物理意义明确、算法简单等特点。然后通过满秩线性变换，根据CMG奇异度量分配CMG模式与RW模式各自的力矩负荷，同时实现了VSCMGs的轮速平衡，并通过所设计的空转运动，使VSCMGs尽量远离CMG奇异。对后者，在VSCMGs接近CMG奇异时，采用RW模式来输出指令力矩，而在远离CMG奇异时，用CMG模式输出指令力矩，同时分别采用加权矩阵和空转运动实现了VSCMGs的轮速平衡。 由于VSCMGs框架角加速度引起的干扰力矩可能导致航天器姿态控制性能的降低，并可能激励挠性附件的振动，本文设计了一种离散形操纵律。该操纵律具有使VSCMGs的实际输出力矩与指令力矩间无理论偏差的优点，克服了框架角加速度引起的干扰力矩的影响。 最后，针对执行机构的安装方位误差对IPACS的影响进行了研究。给出了一种基于坐标转换矩阵的方位误差建模方法，该方法几乎适用于任何种类的执行机构，包括VSCMGs、EMWs，以及推力器等。基于安装方位误差为小角度的假设，采用Lyapunov方法设计了自适应姿态控制器，并采用光滑投影算法保证了小角度假设的合理性，所设计的自适应控制器具有估计参数少的特点。不使用小角度假设，设计了鲁棒姿态控制器，该控制器具有算法相对简单的特点。 数值仿真验证了理论分析与设计方法的正确性与有效性。