Integrated Power and Single Axis Attitude Control System with Two Flywheels

The existing research of the integrated power and attitude control system（IPACS） in satellites mainly focuses on the IPACS concept,which aims at solving the coupled problem between the attitude control and power tracking.In the IPACS,the configuration design of IPACS is usually not considered,and the coupled problem between two flywheels during the attitude control and energy storage has not been resolved.In this paper,an integrated power and single axis attitude control system using two counter rotating magnetically suspended flywheels mounted to an air table is designed.The control method of power and attitude control using flywheel is investigated and the coupling problem between energy storage and attitude control is resolved.A computer simulation of an integrated power and single axis attitude control system with two flywheels is performed,which consists of two counter rotating magnetically suspended flywheels mounted to an air rotary table.Both DC bus and a single axis attitude are the regulation goals.An attitude ＆ DC bus coordinator is put forward to separate DC bus regulation and attitude control problems.The simulation results of DC bus regulation and attitude control are presented respectively with a DC bus regulator and a simple PD attitude controller.The simulation results demonstrate that it is possible to integrate power and attitude control simultaneously for satellite using flywheels.The proposed research provides theory basis for design of the IPACS.

Spacecraft Attitude Tracking and Energy Storage Using Flywheels

The control law of the flywheel in an integrated power and attitude control system （IPACS） for a spacecraft is investigated. The flywheels are used as attitude control actuators as well as energy storage device. A feedback control law for attitude tracking is firstly developed by using Lyapunov approach, and then a torque based control law of the flywheel is studied. The control torque vector of the flywheel is decomposed into three parts which are orthogonal to one another by using the method of singularity value decomposition （SVD）. One part is used to provide the attitude control torque, another part is used to store energy with given power, and the last part is used to accomplish wheel speed equalization to avoid wheel saturation caused by large difference among the wheel spin rates. A management scheme for energy storage power using kinetic energy feedback is proposed to keep energy balance, which can avoid wheel saturation caused by superfluous energy. Numerical simulation results demonstrate the effectiveness of the control scheme.

Bias Momentum Attitude Control System Using Energy/Momentum Wheels

The integrated power and attitude control for a bias momentum attitudecontrol system is investigated. A pair of counter-spinning wheels is used to provide the biasangular momentum and store/ discharge energy for power requirement of the devices on the spacecraft.The roll/yaw motion is controlled by pitch magnetic dipole moment. The torque-based control law ofthe wheels is designed, so that the desired pitch control torque is provided and the operation ofcharging/discharging energy is carried out based on the given power. System singularity in thecontrol law of wheels is fully avoided by keeping the wheels counter-spinning. A power managementscheme using kinetic energy feedback is proposed to keep energy balance, which can avoid wheelsaturation caused by superfluous energy. The minimum moment of inertia of the wheels is limited bythe maximum bias angular momentum and the minimum energy, such constrains are analyzed incombination with the geometrical method. Numerical simulation results are presented to demonstratethe effectiveness of the control scheme.

New Strategy of IPACS Design and Energy Management for Spacecrafts

The design problem of an integrated power and attitude control system （IPACS） for spacecrafts is investigated. A Lyapunov-typed IPACS controller is designed for a spacecraft equipped with 4 flywheels （3 orthogonal ＋ 1 skew）. This controller keeps in the nonlinear properties of original systems, so the control result can be more precise. A control law of the flywheels is also proposed to accomplish the attitude control and energy storage simultaneously. Aiming at the limitations existing in the power conversion characteristic and the wheel＇s motor, a new strategy of energy management is proposed. The strategy can not only make the charged/discharged energy reaching balance in each orbital period, but also sufficiently utilize the power provided by the solar arrays. Therefore, the size and mass of solar arrays can be decreased, and the cost of spacecraft can be economized. A simulation example illustrates the validity of the designed IPACS.

储能/姿控一体化飞轮能耗试验研究

给出了储能/姿控一体化飞轮在高速运转下能量损耗测试原理及方法,建立了飞轮能耗试验系统,进行了能耗试验,分析了飞轮能耗的组成及其影响因素,在试验的基础上,给出了降低飞轮系统能耗的方法。飞轮能耗包括机械损耗、风阻损耗及电损耗,其中比重最大的部分为轴承摩擦导致的机械损耗。提高真空度可以有效降低风阻损耗及电损耗,但机械损耗不受影响,机械损耗随转速升高而增大。在10 000 r/min以下飞轮能耗较低,飞轮具有较好的性能,当转速高于10 000 r/min后机械损耗急剧上升,需要采用磁轴承支撑来降低机械损耗。

舰船综合电力系统飞轮储能控制器设计

未来舰船综合电力系统将采用中压直流分布式供电网络结构,其动态特性易受故障、投切负载、脉冲负荷等影响,需配置储能模块以满足系统供电需求。为此,该文设计了由异步电机、飞轮和双向变流器三大模块组成的直流并联型飞轮储能装置,以空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)技术为基础,提出了飞轮调节阶段"电压外环+电流内环"和保持阶段"转速外环+电流内环"的双模式双闭环控制策略,以及相应的飞轮工作模式自动切换流程。通过构建飞轮储能装置试验平台及对应仿真系统,完成了突加负载时的仿真、试验对比分析,结果表明,所设计的飞轮储能装置能够根据系统监测结果自动切换工作模式,调整直流主网电压,补偿系统功率,有效抑制舰船综合电力系统的电压波动,提高供电品质。

飞轮贮能系统在未来航天器中的应用

传统蓄电池贮能系统由于其比能量小、可靠性低的固有缺陷已难以满足未来航天器的总体性能发展要求。近年来，随着高性能磁轴承、高强度轻重量的复合材料、电力电子技术等一系列关键技术的发展，使得飞轮贮能系统取代目前航天器中镍氢电池贮能系统成为可能。文中系统地阐述这一未来的航天器贮能系统，其中具体介绍了飞轮贮能系统的高比能量、长寿命、高效率等优越特性以及在航天器应用中独具的位姿控制附加功能，并对飞轮贮能系统的结构组成、多功能集成等方面作了较为详细的论述。

姿控飞轮变结构变速积分控制的实现

为了兼顾飞轮控制系统的响应速度和稳态精度,在分析常值切换变结构控制和变速积分控制特性的基础上,将具有开关特性,响应快,但存在抖振缺点的常值切换变结构控制与能改变积分项的累加速度,使其与偏差大小相对应,稳态精度高的变速积分控制相结合,利用变速积分控制稳态精度高的优点弥补常值切换控制的开关特性带来的缺点,提出了变结构变速积分控制。根据飞轮的本体模型和运动方程建立了控制模型,分析了控制模型的性能,进行了转速跟踪实验。实验结果显示:变结构变速积分控制使系统的动态性能和稳态性能都得到很大提高。控制指令为偏移量1000r/min,幅值100r/min,周期0.01Hz正弦信号时,跟踪误差为2r/min。结果表明,提出的方法抑制了超出切换带范围的超调量,提高了进入切换带内的稳态精度,防止了抖振,基本达到了加快响应速度和提高稳态精度的要求。

飞轮单轴姿态控制及储能系统

给出了一种应用于小卫星的集成化单轴姿态控制及储能系统。用同轴反转安装的双飞轮进行必要的解耦控制，能够实现卫星在日阳期及日阴期能量的储存与释放，同时对卫星的姿态进行稳定或按照要求调整。通过仿真分析，证明了集成化单轴姿态控制与储能系统方案的正确性，分析了系统参数对控制精度的影响，给出了参数优化途径。搭建了单轴姿态控制与储能实验演示系统并进行了实验，在0～20000r／min转速下进行了储能实验，该过程模拟卫星单自由度旋转气浮转台的控制精度优于1．5^o，折算到百公斤量级卫星的姿态角波动量为1．8’；以20000～10000r／rain的转速进行了放能实验，该过程转台的控制精度优于1．2’，折算到百公斤量级卫星的角度波动量为1．6”，总线电压24V，电压波动量〈1．8％。实验结果表明：单轴姿态控制与储能系统应用于卫星及其它空间飞行器上能够同时完姿态控制和能量需求。

磁悬浮姿控/储能飞轮能量转换控制系统设计与实验研究

针对磁悬浮姿控/储能飞轮(ACESFW)的能量释放问题,采用直流降压斩波原理,设计了一种能量转换控制器,提出对降压斩波器输出进行软件功率因数校正的转换控制方法,将高速ACESFW存储的动能,转变为稳定直流电能输出。仿真和地面试验结果表明,所设计的能量转换器转换效率高,电压输出稳定,高频纹波小,可以满足星上设备的供电要求。

空间站基于动量管理的集成能量与姿态控制系统

研究了使用飞轮和变速控制力矩陀螺的空间站基于动量管理的集成能量与姿态控制系统(IntegratedPower and Attitude Control System IPACS)。设计了使用飞轮和变速控制力矩陀螺的空间站基于动量管理的IPACS框架,通过仿真验证了基于动量管理的IPACS的有效性,以及相对于单独的IPACS的优越性,同时变速控制力矩陀螺因同时具备飞轮和框架力矩陀螺的特点更适用于空间站长期在轨的姿态控制和能量存储要求。

利用变速控制力矩陀螺的航天器集成能量与姿态控制

利用变速控制力矩陀螺(VSCMG)的航天器姿态与能量一体化控制问题。针对以VSCMG为姿态控制执行机构的刚体航天器设计了全局渐近稳定的姿态跟踪控制律。将VSCMG的框架角速度和转子角加速度作为控制输入向量设计操纵律。利用加权的最小范数解得到VSCMG的姿态控制输入向量,并用与之正交的控制输入向量来以给定的功率存储/释放能量。提出了同时表征力矩陀螺模式构型奇异和转子轮速平衡的混合指标函数。对控制自由度有冗余的系统,在混合指标函数的基础上利用梯度法构建了VSCMG的空转运动,以回避力矩陀螺模式的构型奇异,并同时减小转子转速差过大引起的转速饱和以及VSCMG零奇异的可能性。利用反馈转子动能的方法规划日照期间的储能功率,以维持系统长时间工作的能量平衡。基于某太阳同步轨道卫星的数值仿真结果验证了系统的有效性。

使用VSCMGs的IPACS的奇异性分析与操纵律设计

研究使用变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)的能量/姿态一体化控制系统(IPACS)的奇异性分析与操纵律设计问题。提出了VSCMGs的CMG奇异与IPACS奇异两种概念。对于给定的CMG奇异方向,采用优化理论得到了在该方向上VSCMGs的转子达到角动量饱和时的转速表达式,并给出了IPACS奇异的充要条件及其证明。分析了考虑星体角速度影响时的实际IPACS的奇异性质。在此基础上为实现合理的动量管理,采用加权矩阵的方法设计了IPACS的操纵律。最后通过算例验证了所得到的IPACS奇异判据的正确性,并通过数值仿真,验证了所设计的操纵律的正确性及其良好的动量管理性能。

飞轮储能抑制舰船综合电力系统直流母线电压波动的研究

舰船综合电力系统直流网络突加一定恒功率负载时会产生较大的电压波动,这主要是由电网中电能供需的不平衡造成,而飞轮储能装置可以解决上述问题。本文详细分析了储能装置运行特性,将其划分为充能、保持、调节三种工作模式,设计了一种基于矢量控制的综合控制策略。在PSCAD/EMTDC仿真平台中构建了综合电力系统直流网络简化仿真模型,仿真结果表明此控制策略下飞轮储能装置的工作模式能平滑快速切换,功率控制响应速度快,直流母线电压暂态过程波动显著减小。

一种微型航天器姿态控制系统建模与分析

从航天器微小型化的角度出发,提出了仅利用两个飞轮进行航天器姿态控制的飞轮配置方案。该方案还可以对高速旋转的飞轮所储存的能量进行管理,不需要磁力矩器等额外的卸载装置,从而简化了飞轮姿态控制系统的结构。详细描述了系统的结构和工作原理,推导了航天器姿态控制系统的非线性动力学模型,分析了影响航天器姿态机动性能的主要因素,并通过仿真验证了这种配置方案的有效性。

飞轮储能参与电网一次调频协调控制策略与容量优化配置

为充分利用飞轮储能辅助电网调频的优势并考虑运行经济性因素,对飞轮储能辅助火电机组参与电网一次调频协调控制策略和容量优化配置进行研究。首先,针对电网频率特性及机组调频特点,提出一种减少机组磨损、抑制反向调频、储能电量持续性管理的火电机组-飞轮储能协调控制策略。然后,基于一次调频积分电量考核贡献指数进行调频收益计算,并据此进行飞轮储能容量优化配置。最后,根据某发电厂实际运行数据,对协调控制策略下调频效果和容量优化配置下积分电量考核贡献指数合格率、全寿命周期收益进行仿真分析,结果证明了所提方法能够有效改善机组调频性能并且运行经济性良好。

卫星储能/姿控一体化飞轮构型及其误差分析

介绍了卫星储能/姿控一体化飞轮的偏置动量、零动量和单个飞轮的不同构型及其组成,并分析了成对飞轮偏置动量、单个飞轮零动量构型的动量和能量转换。建立了偏置动量和零动量飞轮的控制模型。对电机转矩不对称,以及转子转动惯量和安装不同轴误差对卫星姿态的影响进行了仿真试验。结果表明,前者的影响甚微;后者在不同轴误差为0.2°时,转动误差应小于2%。

航天器能量/姿控一体化控制器设计及功率规划

研究航天器的能量/姿控一体化控制系统(IPACS)的设计问题。针对带有4个飞轮(3正交、1斜装)的航天器的IPACS,设计了一个滑动模态姿态控制器。设计了飞轮组的控制律,保证了在储能时,飞轮的转速变化不会对航天器的姿态造成扰动,而且不影响正常的姿态控制,同时实现了姿态控制与能量存储。针对太阳帆板的功率变化特性以及飞轮电机的输入功率限制,提出了一种新的储能功率的规划方案,使飞轮在每个轨道周期内储存和释放的能量达到平衡,同时尽量利用了太阳帆板提供的功率,从而可以有效地减少太阳帆板的面积,减轻太阳帆板的质量。为了验证所设计的IPACS的有效性,给出了一个仿真实例。

运载火箭动力着陆段制导控制方法综述与展望

可重复使用运载火箭能够大幅降低进入空间的成本,是下一代航天运输系统的重要组成部分,而动力着陆段是实现可重复使用运载火箭回收的关键。对现有运载火箭动力着陆段的制导控制方法进行了综述,在对现有方法进行分析的基础上提出了一种模块化协作设计,并对人工智能方法在制导控制中的应用进行了展望。首先建立了运载火箭动力着陆段制导控制的整体模型,归纳了常用指标及约束集合,并分析了制导控制设计需解决的问题。然后,对现有的主要制导控制方法,即解析制导方法、轨迹优化制导方法、基于机器学习的制导方法、姿态控制方法及制导控制协作方法等进行了综述,通过分析所考虑的运动方程模型、约束及性能指标等对主要方法进行了较全面的比较,并进一步针对不确定模型及干扰下的制导控制综合目标优化问题提出了一种模块化智能协作方法。最后,对动力着陆段制导控制方法的发展趋势进行了总结,并对人工智能方法与动力着陆段制导控制方法的结合进行了展望。