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挠性航天器基于Virtual.lab&matlab的姿态控制仿真

2010/2/18    来源:LMS    作者:董龙雷  韩义      
关键字:Virtual.lab  matlab  挠性航天器  姿态控制  
采用仿真软件Virtual.lab建立中继卫星的CAE模型,选取大挠度太阳能帆板和天线臂为柔性体,建立无重力状态下刚柔耦合的多体模型,并实现了与matlab联合控制,形成了一个虚拟控制仿真平台。控制任务是使卫星平台按照预定的运动规律实现大角度姿态机动,保持星体的稳定并且有效地抑制弹性附件的振动。仿真结果证明该方法的可行性和有效性。

0 引言
    航天器通常带有大型挠性结构,如大尺度天线,太阳能帆板及空间桁架等。在轨运行航天器常常会进行轨道转移,大角度姿态机动以及其挠性附件的大角度机动等,这类刚体运动可能激起其挠性附件的大幅度弹性变形运动,且这两种运动相互耦合,使这种航天器的动力学行为非常复杂。对挠性航天器姿态控制的研究通常是针对于挠性附件固接于星体上的情形,主要研究在挠性附件产生弹性振动时星体姿态的稳定控制及弹性附件的振动抑制问题。
    本文采用LMS仿真软件Virtual.lab建立挠性航天器多体动力学模型,并以中继卫星为例,建立无重力状态下刚柔耦合多体动力学模型,设计了输入成形前馈控制+PD反馈控制器,形成了一个虚拟仿真控制平台。并据此实现了平台与Matlab的联合仿真实时控制研究。仿真结果证明了该方法建模准确,控制效果可视化,是一种十分有效的研究方法。
1 挠性航天器多体建模
    以中继卫星为对象,考虑天线支撑臂和太阳帆板的柔性以及星体自身的刚体运动,建立无重力状态下的CAE模型。中心刚体为立方体,在体坐标系x、y、z方向的边长分别为2m、2.5m、2m。太阳帆板视为匀质板,在面坐标系x、y方向的边长分别为L1=6.4m、d=1.6m,L2=1.6m,板厚2m,材料密度,弹性模量。左右天线为刚体,半径r=0.7m,高度0.26m。天线支撑臂假设为匀质悬臂梁,长度L=2.6m,质量线密度0.864kg/m,弹性模量E=7.03×1010, 截面惯性矩I=2.039×10-9m4。太阳能帆板、卫星天线和星体的连接均为六个自由度约束的刚性连接。

    星体和天线做刚体处理,太阳能帆板和天线臂作柔形体。太阳帆板用有限元方法做模态分析,保留前9阶模态,包括五阶弯曲模态和四阶扭转模态,基频为4.166Hz,模态参数如表3。天线支撑臂取为柔性体,用有限元方法做模态分析,取前九阶模态,基频为10.8Hz。将多体模型中的太阳帆板和天线支撑臂用有限元模型代替,得到刚柔耦合的挠性航天器动力学模型。

挠性航天器刚柔耦合动力学模型  
图1 挠性航天器刚柔耦合动力学模型


2 Virtual.lab&matlab联合控制
    控制任务包括使卫星平台实现大角度姿态调整,同时抑制弹性附件的振动。控制策略是在系统质心位置加载绕x轴的转动力矩T,使中继卫星实现单轴快速转动1弧度的角度,将星体转角作为反馈信息,采用PD控制器实现星体姿态机动的闭环控制;根据太阳能帆板在闭环控制状态下的模态信息设计输入整形器,采用输入成形前馈控制抑制太阳能帆板的弹性振动。取星体转角、角速度、太阳能帆板端部某点相对星体的弹性振动位移及振动速度、天线的转角及转动角速度作为观测信号,检验系统控制效果。
    在Virtual.labd的motion模块中input plant&output plant设置系统输入输出物理量,生成一个Matlab软件可识别的S-Function(S函数),名为plantout.m,如图2.1中所示。在matlab环境Simulink下设计控制器,将S函数plantout.m作为控制对象,采用输入成形前馈控制+PD反馈控制技术,对控制效果进行仿真。仿真结果文件可以读入Virtual.lab,利用其动态演示功能可以直接观察控制结果。

基于S函数模型的控制示意图 
图2 基于S函数模型的控制示意图


3 仿真结果
    设置PD控制参数Kp=20,Kd=1000,ZV输入成形控制参数A1=0.48,A2=0.52;t1=0,t2=0.4716,仿真结果如图3.1~3.7。仿真结果表明卫星系统能够实现快速大角度机动调整,并且无晃动,星体姿态角变化如图3。大挠度弹性附件太阳帆板的振动得到有效抑制,振动位移数量级仅为10-5m。天线转动稳定,能够满足有效跟踪要求。

星体姿态角  太阳帆板振动位移
图3 星体姿态角 图4 太阳帆板振动位移

天线转角 
图5 天线转角


    仿真结果表明输入成形技术对有效抑制挠性太阳帆板的振动作用显著。图6为有无输入成形技术对太阳帆板振动抑制情况的结果对比。

输入成形技术对太阳帆板振动抑制作用 
图6 输入成形技术对太阳帆板振动抑制作用


4 结论
    本文以挠性结构航天器为研究对象,用Virtual.lab建立CAE模型,设置输入输出物理量,生成Matlab软件可识别的的S函数,设计了输入成形前馈控制+PD反馈控制器,形成了虚拟仿真控制平台,并实现了多体动力学模型与Matlab的联合仿真。在Simulink下进行控制仿真,结果表明控制效果显著。此种方法建立的虚拟控制平台与传统的航天器控制仿真研究方法相比,能够更准确地反映系统刚柔耦合的动力学特性,更有效地验证所设计的控制方法,并且具有控制效果可视化的优点。

责任编辑:杜凯
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