文 献 综 述
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项目背景
- 飞行器姿态控制
姿态控制对飞行器完成期望的精确定位、跟踪飞行任务等至关重要[1]。姿态控制系统由控制器、敏感器和执行机构三部分组成。其中，控制器可进一步细分为星载计算机、数据处理单元、接线匹配箱三部分。敏感器主要包括测量卫星姿态角速度的陀螺，测量卫星相对于惯性空间方位的太阳敏感器和星敏感器，测量地球方位的地球敏感器，测量地球磁场矢量的磁强计等。执行机构主要包括推力器、轮子、磁力矩器三大类，其中轮子包括反作用轮、动量轮和控制力矩陀螺[2]。
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- 飞行器姿态控制执行机构
飞行器姿态控制的执行机构用来实现相应的姿态调整。通常情况下,改变大气层外飞行器姿态运动的方式有两种:(1)改变作用于飞行器质心的力矩大小,这种方式可以通过改变外力大小和外力对质心的力臂大小来实现;(2)改变飞行器内部一部分机构的角动量,通过角动量交换的方式实现姿态运动[3]。卫星上通常采用旋转电机来实现角动量的交换，通过控制电机的转速与转角可以实现卫星的姿态角控制。也可以用运行更加稳定的直线电机代替旋转电机作为质量矩飞行器的姿控执行机构。
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质量矩姿态控制
- 附加外部推力质量矩姿态控制系统
质量矩控制是通过调整飞行器内部滑块的位置来改变系统质心的位置,利用空气动力产生控制力矩对飞行器的姿态进行控制的[4]。质量矩姿态控制采用直线电机带动质量块运动作为质量矩飞行器内部的一个执行机构单元,并分别在飞行器的三个惯性主轴方向上进行安装配置。在有尾部推力的情况下,质量矩飞行器采用改变外力对质心的力臂大小来实现姿态运动,即通过直线电机驱动三个质量块的运动使合质心产生空间三个方相的运动,配合尾部推力实现姿态调整。质量矩姿态控制常用于导弹的姿态调整，质量矩导弹采用3轴稳定控制方式,3个轴上的滑块相互配合运动[5]，通过调整内部滑块的位置来改变系统质心与气动压心的相对位移,并利用空气动力矩的不断变化对飞行器姿态进行控制,以达到姿控系统稳定的效果[6]。这种控制方式降低了质量矩飞行器的成本和复杂性,而且由于尾部推力很大,质量块只需微小移动就可以产生较大的控制力矩实现姿态调整。质量矩控制方式与传统的气动舵及姿态控制发动机相比，其优越性主要体现在四个方面：a.利用质量矩控制的飞行器既适合于大气层内工作，又适合于大气层外工作；b.质量块控制机构完全在弹头内部工作，不会影响弹头良好的气动外形，有利于获得较高的末端制导精度；c.可以避免由于飞行器高速运动而引起的空气舵面烧蚀问题；d.利用质量块的运动可以产生很大的控制力和控制力矩，实现飞行器的姿态调整，因此，利用质量矩控制的飞行器只需提供一个尾部发动机外，不需另外的侧喷发动机，节省能量，结构简单[7]。
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- 无外部附加推力质量矩姿态控制系统
除了附加外部推力对飞行器进行姿态控制，还有一种只通过内部质量块移动，无外部推力附加的质量矩姿态控制系统。
在有关文献中[8-9],研究了一种可移动质量控制系统，可用于在给定的一组约束条件下，在最小时间内稳定围绕主轴的翻滚不对称空间站。在航天飞行器发生翻转时，需要在最短时间内稳定飞行姿态。由于外部推进器过于复杂；动量交换装置会很快饱和且在翻转状态下难以启动；无能量消耗装置效率过低。所以研究了一个自主的内部系统，它使用一个可移动的质量来快速稳定围绕主轴的运动。通过内部质量块的运动，快速稳定飞行器的运动状态。
在文献[10]中，提出了一种基于移动质量的小型卫星姿态控制方案。该系统包括一个刚性卫星和一个可移动的质量执行机构。利用拉格朗日方程导出了系统的非线性运动方程，设计了基于线性二次型调节器技术的移动质量运动控制律，以达到期望的卫星姿态。
- 质量矩姿态控制技术桌面演示装置
图1.装置结构简图
质量矩姿态控制技术的桌面演示装置通过驱动一个直线电机，实现对一个方向（圆盘转角）的角度控制，来模拟飞行器姿态控制的实际过程。首先通过仿真来验证实验方案的可行性与有关参数的确定。通过对倒立摆系统建模过程的学习，了解建模主要过程；参考有关书籍，学习了用拉格朗日法建立系统数学模型。课题研究主要分为三个方面：
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