● 摘要
本文以挠性航天器作为研究对象，对其动力学仿真模型的建立，姿态控制算法，以及挠性附件振动频率的识别进行研究。 针对挠性航天器利用凯恩方程建立完整的动力学方程，并针对稳态控制问题作出简化。利用模态价值准则确定了仿真程序中挠性附件的阶数。对航天器在轨干扰力矩进行了分类和建模，包括了太阳光压力矩等空间环境扰动力矩以及星上活动部件的干扰力矩等，并以风云3号卫星所在的轨道高度进行仿真，总结了各种力矩的幅值和周期特点。 利用风云3号卫星数据，采用经典的PID控制算法进行了控制参数设计，搭建包括动力学运动学模块，控制模块，干扰力矩模块，作动器模块等在内的Simulink仿真平台。仿真结果表明PID控制对于风3卫星代表的挠性附件刚度较大的航天器能够有效地实现姿态的稳定控制，并确保挠性附件振动不会发散。 研究了基于干扰观测器的控制方法，通过证明和仿真算例表明应用干扰观测器能够有效提高姿态稳定控制的精度。针对刚度矩阵更小的，附件挠性更大的卫星，将柔性附件视为干扰，利用挠性振动频率已知的特点，采用干扰观测器的方法对模态振动进行观测估计，并在控制力矩中实现对挠性附件振动的补偿，同时与滑动模态控制相结合，提高了稳态控制的鲁棒性。 针对卫星模态频率在地面不易测量的特点，提出了以航天器作动器力矩作为输入（如飞轮控制力矩），航天器的本体姿态角速度或姿态欧拉角作为输出的，基于子空间辨识算法的挠性航天器模态频率辨识方法。方法等够对随机力矩输入的系统进行模态频率辨识，达到5%以内的辨识误差。进一步考虑带有附件加速度计的情况，在假设随机白噪声输入的条件下，应用两个加速度计，利用随机子空间辨识算法，对挠性附件的前三阶振动频率实现了有效的辨识。