应用变速控制力矩陀螺的航天器姿态自适应控制

为提高敏捷挠性航天器在轨连续机动的快速性和高稳定性,应用变速控制力矩陀螺(variable speed control moment gyroscopes,VSCMGs)作为姿态控制执行机构,提出了一种将观测器与自适应控制结合的姿态控制律与VSCMGs复合操纵律。考虑到机动过程中挠性模态及精确惯量不可知,采用模态观测器和转动惯量估计器对不可测的状态或参数进行辨识,辨识结果用于精确估计前馈补偿力矩,利用Lyapunov分析方法证明了闭环控制系统的稳定性。鉴于VSCMGs实际使用的力矩分配能力、避奇异能力、轮速平衡能力与末态框架角定位能力,分别设计了加权伪逆操纵律与3种对应的零运动。基于雅可比矩阵条件数提出了末态框架角的优选方法,给出了VSCMGs零运动在机动过程不同阶段的部署方案。结果表明:通过连续姿态机动数值仿真验证了所提算法的有效性;VSCMGs在连续机动过程中平滑切换模式,在不同的机动阶段实现了相应功能。模态观测值和惯量估计值在多次机动后收敛至真值附近,经过参数辨识后的控制器使航天器在机动末端更快更稳地达到指向精度要求。

大型航天器控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩特性研究进展

随着空间站等大型航天器所具备的功能越来越复杂,对控制力矩陀螺的精度和寿命指标等提出了更高的要求,高速转子轴承组件直接影响控制力矩陀螺的精度,进而影响航天器姿控系统的控制精度、寿命和可靠性。从控制力矩陀螺轴承组件的动力学、摩擦特性、润滑机制、预紧试验技术4个方面,综述了控制力矩陀螺轴承组件的研究现状及最新进展,分析了当前研究中存在的问题,并给出了后续研究的建议。目前对控制力矩陀螺轴承组件力矩特性的研究,没有考虑真空环境或实际工况中复杂因素的影响,并缺少非稳态工况下滚动轴承动力学理论研究。开展航天润滑油机械特性基础研究,发展非惯性坐标系下控制力矩陀螺轴承组件动力学仿真技术,探究轴承组件摩擦力矩控制机制,形成航天工程用控制力矩陀螺轴承组件力矩控制策略是后续研究的重点方向。

航天器控制力矩陀螺宽频带并联隔振系统设计

提出了一种新型宽频带波纹管流体阻尼器概念及其力学模型,设计实现了一种宽频带波纹管流体阻尼器产品原型,该阻尼器通过设计若干只频率阀,用于调节其在特定频率段、特别是在低频段的阻尼特性,实现了液压阻尼可变,此外还专门设计了带有间隙元件的机加工弹簧作为二级刚度,实现了刚度可变。基于该阻尼器,针对某大型载人航天器控制力矩陀螺(CMG)在多种复杂环境下的隔振需求,设计实现了一种宽频带并联隔振系统,该隔振系统既能在主动段能将CMG锁紧固定、提高可靠性,又能在在轨段高效缓解CMG的解锁冲击能量和抑制其微振动。所设计的阻尼器及并联隔系统为航天器CMG提供了一种变阻尼变刚度、宽频带的隔振解决方案,为后续工作奠定了基础。

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子的优化设计

介绍了一种磁悬浮控制力矩陀螺(CMG)的结构,其中陀螺转子的额定角动量为200 N.ms。利用多学科设计优化软件iSIGHT及有限元分析软件ANSYS,以质量为优化目标,以静力学、动力学和其他要求同时作为约束条件,对永磁偏置混合磁轴承支承的5自由度高速盘形转子(额定转速为20 000 rpm)进行了优化设计。通过优化设计,其静强度安全系数由原来的2.39提高到2.63,提高了10%;转子质量由15.032 kg减小为13.972 kg,减少了7.1%。为满足控制系统对共振频率的要求,转子的弹性一阶共振频率为1 313 Hz(动力学)。

控制力矩陀螺框架系统的谐振抑制与精度控制

控制力矩陀螺(CMG)框架系统的速率控制精度是影响其输出力矩精度的重要因素,系统中谐波减速器提高了框架系统的动态响应能力,但其产生的机械谐振大幅降低了系统的控制精度。为抑制框架系统的谐振并满足系统的控制精度,本文建立了框架系统的动力学模型,根据系统动态性能要求选取合适的阻尼系数来设计系统主导极点,使控制器产生的零点与机械谐振对应的极点重合形成偶极子,从而抑制系统的机械谐振。仿真和实验结果显示:提出的方法有效地抑制了控制力矩陀螺框架系统的谐振,0.175rad/s恒速控制精度为0.002,0.175sin(2πt)rad/s正弦随动控制的幅值相对误差为3.28%,相位差为0.13rad。结果很好地满足了控制力矩陀螺的高精度输出力矩需求。

控制力矩陀螺框架伺服系统的超低速测速方法

在超低转速下,有限的转速测量分辨率是影响控制力矩陀螺框架伺服系统控制性能的一个重要因素。在分析转速分辨率对超低速控制性能影响的基础上,提出了一种基于多周期后向差分的转速计算方法,可提高测速分辨率并保证测速带宽。针对后向差分带来的相位延迟会限制测速分辨率进一步提高的问题,在选取合适的差分周期基础上,采用Kalman预估器对框架转速进行预估,进一步提高了框架转速的测速分辨率及测速带宽。通过仿真表明,所提出的测速方法将转速分辨率提高了两个数量级,解决了框架伺服系统在超低转速下由于有限的转速测量分辨率造成的爬行现象。

使用单框架控制力矩陀螺的空间站姿态控制系统建模与仿真

研究使用单框架控制力矩陀螺群 (SGCMGs)的空间站的姿态控制。完成空间站在轨三轴稳定飞行模式下的动力学和执行机构的建模。基于最小二乘意义下的伪逆原理设计了 SGCMGs的控制律。对于框架构形的隐奇异 ,采用零运动躲避的算法。同时建立了框架电机的动力学、干扰和控制器的仿真模型。提出了适合工程应用的SGCMGs构形显奇异和饱和奇异的工程性的判断条件及卸载方法。为了探讨伺服机构对系统响应特性的影响 ,进行了分系统级的仿真。仿真模型中包括了空间环境力矩、敏感器及姿态确定模型。仿真中使用了五棱锥构形的SGCMGs,这种构形具有好的冗余度和大的角动量包络。仿真结果验证了五棱锥构形

单框架磁悬浮控制力矩陀螺的损耗计算及热-结构耦合分析

为了明确由损耗导致航天器应用中的磁悬浮控制力矩陀螺温升问题,需要对损耗和温度分布进行分析计算。本文针对额定转速12 000 r/m,最大角动量200 N·m·s的单框架磁悬浮控制力矩陀螺,通过建立理论模型进行分析计算,得到了框架力矩电机、径向磁轴承、轴向磁轴承和转子高速电机的铁损以及铜损;对陀螺三维有限元模型进行了热场仿真分析,得到在各类损耗影响下的温度分布,并进行了热-结构耦合仿真分析。分析得到最大温度位于高速电机定子,最大温度是48.3℃;最后,进行了样机温升实验验证,检测温度最大值位于高速电机定子,最大值为51.8℃,与计算值误差为6.8%。通过温升检测实验验证了损耗计算和有限元热场分析。实验结论为整体结构优化提供了理论参考。

积分反馈自抗扰控制力矩陀螺框架伺服系统设计

设计了永磁同步电机直驱的控制力矩陀螺(CMG)框架伺服系统,并提出积分反馈自抗扰控制(ADRC)伺服跟踪算法用于实时跟踪CMG操纵律输出的框架角速度指令。首先,采用电机轴电流id=0的矢量控制策略建立了CMG框架伺服系统的数学模型;然后,分析摩擦力矩和齿槽力矩对CMG框架伺服系统性能的影响,并在Matlab中搭建速度环采用ADRC的框架伺服仿真系统;最后,对框架伺服系统的速度环分别采用模糊PI、ADRC、积分反馈ADRC算法进行实验。实验结果表明:采用积分反馈ADRC算法跟踪0.1～2.0rad/s时,稳态精度为0.005～0.012rad/s;跟踪0.0～0.1rad/s时,稳态精度为0.001～0.005rad/s,临界爬行速度为0.003rad/s;跟踪2sin(t)rad/s速度曲线时,幅值误差为0.55%,相位滞后0.09978rad。结果满足CMG框架伺服系统精度高、鲁棒性强的要求。

双框架磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应补偿方法

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double gimbal magnetically suspended control moment gyroscope,DGMSCMG)是由磁悬浮高速转子系统与内框架、外框架速率伺服系统构成的航天器新型姿控执行机构。由于非线性及三个子系统间的强耦合,框架转动时磁悬浮转子位移急剧增大影响稳定性,同时框架系统的响应速度显著下降,称之为动框架效应。该效应严重影响了DGMSCMG的功能,必须加以抑制。建立DGMSCMG的动力学模型,分析三个子系统间的动力学耦合机理,提出一种基于复合控制的补偿方法,引入针对陀螺项的反馈和针对框架角速率给定的前馈消除磁悬浮转子附加位移,提高框架系统响应速度,并对补偿后系统做全局稳定性分析。仿真和试验结果表明,该方法能在保证系统稳定性的前提下有效抑制动框架效应,满足DGMSCMG的功能要求。

一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统扰动抑制方法研究

为了抑制谐波减速器运动误差对双框架控制力矩陀螺伺服系统速率平稳性的影响,提出一种角加速度反馈的控制方法。建立了带有谐波减速机构的陀螺框架系统的数学模型,对谐波减速器的运动误差进行了分析。通过设计非线性微分跟踪器得到加速度信号构成加速度反馈,对谐波减速器运动误差所造成的速率波动进行抑制。对框架伺服系统进行仿真,仿真结果证明了该控制方法的有效性,在双框架磁悬浮控制力矩陀螺原理样机上进行了实验验证,实验结果表明,在5度/秒的转速情况下,使框架转速波动量减小了59%,显著提高了转速精度。

磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的拓扑优化设计

建立磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的有限元分析模型,对控制力矩陀螺框架结构进行模态分析,阐述了框架结构优化设计的基本思路.结合双向渐进优化算法拓扑优化理论,基于通用有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言和二次开发语言,开发了连续体拓扑优化模块.以框架结构的最低阶频率值为约束条件,以框架结构质量最小为优化目标,引入名义应力的概念,建立框架结构固有振型与名义应力的关系,实现了磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的动态拓扑优化,扩展了双向渐进优化算法的应用范围.优化后的结构构型具有更为合理的质量和刚度布局,频率提高11.49%,质量减少5.65%.

用单框架控制力矩陀螺的大型航天器姿态控制系统实物仿真研究

利用三轴气浮台模拟航天器空间力学环境,进行了单框架控制力矩陀螺(SGCMG)姿态控制/动量管理系统全实物仿真研究。推导了大型航天器姿态控制/动量管理系统数学模型。设计调试了实物仿真系统。研究了单框架控制力矩陀螺奇异回避问题、失效操纵问题和动量管理优化问题。证明了系统构形分析、奇异性分析和操纵律设计的正确性和有效性。通过大型航天器姿态控制/动量管理系统实物仿真,检验了设计方案的可行性和系统硬、软件的可靠性。

星上控制力矩陀螺群隔振平台的动力学特性

为能够给星上有效载荷提供一种超静环境,提出一种星上控制力矩陀螺群(CMGs,Control Moment Gyroscopes)的隔振方案,并对所使用的隔振平台的动力学特性进行研究分析.首先介绍了不同参数模型的隔振元件工作原理和参数特性;其次利用牛顿-欧拉法对含有隔振平台和CMGs的卫星进行动力学建模;最后通过频域和时域的方法分析并对比了各个参数模型下的隔振平台力衰减特性以及对星体姿态稳定度的改善程度.结果表明:两参数加调谐质量阻尼器模型下的隔振平台对共振峰值有一定的衰减作用,三参数模型下的隔振平台在力衰减和对姿态稳定度的改善程度上要明显优于其他2种模型.

单框架控制力矩陀螺转子动不平衡对遥感卫星成像的影响

分析了单框架控制力矩陀螺(SGCMG)转子在高速旋转时产生的动不平衡干扰力矩引起的星体颤振角和颤振角速度对TDI CCD相机成像的影响。通过坐标变换将转子坐标系下的干扰力矩转换至星体坐标系下的干扰力矩,将卫星姿态动力学方程计算出干扰力矩引起的星体颤振角位移和颤振角速度代入TDI CCD相机成像像移补偿模型;利用TDICCD相机像点与物点对应模型的仿真系统仿真了陀螺转子在不同转速下引起星体颤振角位移和角速度对相机成像的影响;最后,利用图像对比度和互相关相似性测度分析仿真成像质量。仿真显示:SGCMG转子在转速为3 000 r/min时,横向调制传递函数为0.997,图像互相关相似性测度为0.996 1;转速为6 000 r/min时,横向调制传递函数为0.928 3,图像互相关相似性测度为0.974 8。结果表明:SGCMG转子在高速旋转过程中引起的星体颤振角位移和角速度严重影响了TDI CCD相机的成像质量,应依据颤振的影响对SGCMG实施减震措施。

飞轮和控制力矩陀螺高速转子轴向干扰特性的研究

飞轮和控制力矩陀螺的高速转子在工作过程中所产生的轴向振动不容忽视,通过分析高速转子产生轴向振动的原因,并进行相关的理论分析,提出了降低转子轴向振动的措施和方法。研究结果表明,通过一定的改进措施可以减小高速转子的轴向振动,从而可以提高卫星的姿态控制精度和稳定度。

单框架控制力矩陀螺的奇异分析及操纵律设计

通过对单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的奇异问题的分析,设计了一种新的伪逆解与零运动向量相结合的操纵律来回避SGCMGs的内部奇异点。首先通过绘制金字塔构型SGCMGs奇异角动量曲面及典型角动量切面对应的奇异度量极值曲面,研究了其奇异的几何特性。然后以缩小期望力矩与各SGCMG角动量的夹角为目的,给出了一种新的零运动向量构造方法用于操纵律的设计。该方法在全局范围内考虑,并未参考当前奇异度量值,故能有效地避免奇异度量局部极值所对应的内部显奇异点。最后将其与现有的几种操纵律进行了数学仿真对比,验证了其有效性及优越性。

磁悬浮控制力矩陀螺框架系统谐波减速器的迟滞建模

为了抑制双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架伺服系统中谐波减速器固有的迟滞特性对系统精度的影响,提出了一种基于Preisach模型的谐波减速器迟滞特性建模方法。首先,使用一阶回转曲线法采集谐波减速器的柔轮输出力矩与扭转角,获得建立谐波减速器迟滞模型的实验数据,其中谐波减速器柔轮的输出力矩是在不使用力矩传感器的条件下用系统动力学模型估计得到的;然后,使用Preisach模型对谐波减速器柔轮输出力矩与扭转角迟滞关系进行建模;最后,采用将模型离散化的数字型实现方法辨识模型中的权重函数,并给出模型的离散递归算法使模型利于简易化编程与进一步的在线控制。实验结果显示,谐波减速器的迟滞模型误差不超过0.005°,MSE值不超过(0.000 83%)°。结果显示了所述建模方法的正确性和实用性。

基于姿态控制力矩陀螺的水下航行体运动建模方法研究

以舵作为水下航行体运动姿态控制装置时,其控制能力容易受到航速限制。本文考虑采用控制力矩陀螺(CMG)进行水下航行体的姿态控制,从而避免水下航行体在零速或低速时舵效丧失而导致机动能力下降。考虑到水下航行体可能大姿态角度机动,引入欧拉四元素建立其运动学方程;将水下航行体看作刚体,考虑陀螺装置的力矩效应及水动力的影响,运用动量和动量矩定理,针对安装有控制力矩陀螺的水下航行体建立了新的动力学模型方程。对建立的模型进行了仿真,结果表明:陀螺装置所产生的力矩对水下航行体的运动姿态角参数产生了显著的影响,这为CMG在水下航行体运动控制上的应用提供了有效基础。

磁悬浮控制力矩陀螺的动框架效应及其角速率前馈控制方法研究

在磁悬浮控制力矩陀螺中,局限于磁悬浮轴承系统的动态响应速度,框架的转动将使转子轴的角位移和轴心跳动量显著增大(动框架效应),甚至碰撞保护轴承,严重影响磁悬浮系统的稳定性。本文建立框架转动时的磁悬浮转子相对运动模型,分析了框架转动对磁悬浮转子的单方向作用,在Simulink仿真的基础上提出一种抑制动框架效应的角速率前馈控制方法。实验结果表明,磁悬浮轴承采用角速率前馈控制后,转子跳动量被抑制到原来的18%,大大提高了控制力矩陀螺磁悬浮系统的稳定性,同时还改善了控制力矩陀螺的力矩输出特性。