卫星磁姿态控制方法与算法综述

自太空探索之初,姿态控制磁控系统便因其体积小、质量轻、成本低、可靠性高等优点被广泛应用于各类轨道卫星.近些年,随着微小卫星技术的迅猛发展,姿态控制磁控系统满足了微小卫星对质量、空间等资源的限制,成为了学者们研究的热点.本文综述了自20世纪60年代以来卫星尤其是微小卫星所采用的主要磁姿态控制方法和算法,包括飞轮起旋与卸载算法、被动以及主动磁姿态控制算法等.其中主动磁姿态控制算法包括主动磁阻尼算法、磁控与自旋、定转速飞轮、重力梯度力矩结合的算法以及纯磁控算法.最后对该研究进行了总结与展望.

自行车机器人滑模变结构控制器设计与实现

协调的运动控制方案对于智能无人机器人精确稳定的运动至关重要。针对反作用力轮无人自行车的独立平衡问题,提出一种固定时间收敛结合自适应干扰补偿的高阶滑模控制方案。该方案可普遍应用于考虑了幅度和速率约束的执行器等一类问题。首先,出于整体设计考虑,采用固定时间快速收敛的滑模控制器进行反作用力轮无人自行车功率驱动,同时设计一个高阶滑模干扰观测器补偿未建模参数项和外部干扰的影响;其次,基于Lyapunov函数给出闭环控制系统的稳定性证明。在实际场景中进行验证实验,所提方案相较其他滑模控制方法有5%~30%幅度的性能提升,特别是在动态行驶误差RMSE方面达到了0.003 1 rad,说明控制器在行驶过程中稳定有效。

采用电磁分流阻尼的反作用飞轮隔振方法设计与分析

反作用飞轮是重要的卫星姿态控制执行机构,也是星上最主要的微振动源。针对反作用飞轮转速范围宽的工作特点,本文提出采用六脚隔振装置结合电磁分流阻尼技术的隔振方法。考虑陀螺效应的耦合作用,建立了反作用飞轮与隔振装置的一体化动力学模型。通过理论分析和数值仿真,研究了陀螺效应对系统的模态、固有频率以及隔振性能的影响,并分析了关键参数对系统隔振性能的影响。开展了隔振优化设计,对优化后的隔振性能进行分析,并对隔振装置中的单个隔振单元进行实验验证,验证了电磁分流阻尼和弹簧刚度对隔振性能的影响。

基于改进LSTM的组合式飞轮故障诊断方法

考虑难以获取飞轮精确数学模型及星上算力受限问题,提出了一种基于改进LSTM与故障树相结合的故障诊断方法。首先,从种群初始化、距离控制参数及α狼位置更新等角度改进传统灰狼算法(GWO),使其拥有更好的收敛性能;然后在网络训练过程中引入优化算法,对超参数空间开展寻优,克服传统手动调整方法或网格搜索法导致的超参数选取效率低的问题;进一步考虑故障树分析的工程实用性和神经网络的自主性,设计二者组合的故障诊断框架;最后,建立飞轮故障树模型并进行仿真实验,仿真证明了改进GWO出色的收敛性以及组合式诊断算法对飞轮故障检测和识别的有效性。

道基不均匀分布下通用机型轮载对机场道面力学性能影响研究

为研究道基水平方向不均匀分布对机场道面板力学性能的影响,建立飞机荷载-道面结构-不均匀道基三维模型,采用数值模拟方法分析多板协同受力模式下基顶反应模量变化对道面板弯拉应力影响,探讨通用机型(空客A320和波音B737-800)轮载作用时基顶反应模量变化和道面板厚度对道面板力学性能以及接缝传荷系数的影响,同时基于缩尺试验对数值模拟结果进行验证。研究结果表明:对于A320机型,当道基水平不均匀分布时混凝土板弯拉应力增大,基顶反应模量变化率由0%增加至65.46%时,轮载作用于传力杆接缝板边时道面板弯拉应力由4.06 MPa增加至5.73 MPa,超过极限弯拉应力;增加板厚能够有效地提升刚性道面板受力安全时基顶反应模量变化率的取值范围;道面板接缝传荷系数随着基顶反应模量变化率的增加而增大,基顶反应模量变化率从6.84%增加至56.30%时,道面板传荷系数增加2.44%;室内缩尺试验验证了道基不均匀分布对传荷系数的影响规律。在道面板设计时,应充分考虑道基水平方向不均匀分布对道面板力学性能的影响,避免在服役期间过早出现结构破坏。

反作用飞轮驱动电机的电磁设计

为解决反作用飞轮用永磁无刷直流电机的电磁设计问题,提出了一种采用有限元法与磁路法相结合方式进行电机电磁设计的目标设计法。根据飞轮电机有效电磁气隙宽、径长比大的结构特点,推导了电枢尺寸与机械特性、有效电磁气隙、径长比等参数间的关系表达式,得到新的电枢尺寸计算公式;利用磁场逆问题求解策略结合等效气隙磁通密度方法,给出磁钢尺寸的计算模型;最后描述了整个电磁设计过程。与一台最高转速为6000r/min、角动量为5Nms的反作用飞轮驱动电机的对比验证表明,该方法最大设计误差为2.89%,精度较高。该方法不受传统方法取值思想的限制,目标明确,速度快,适用于大的有效电磁气隙,大径长比结构的飞轮电机的电磁设计。

反作用飞轮结构的动态优化设计

在综合考虑飞轮执行机构的动量容量、输出力矩、质量、体积、功耗、成本及复杂性等因素的基础上,基于优化设计软件ISIGHT及结构有限元分析软件ANSYS,对基于磁悬浮轴承技术的反作用飞轮的结构外形尺寸进行动态优化设计,在确保反作用飞轮结构在给定设计转速下能达到一定的角动量,同时满足结构强度、刚度、形态等方面的要求的前提下,使反作用飞轮的质量最小,优化结果令人满意。设计思路和方法可以用于系列反作用飞轮结构的设计和研制。

航天器反作用轮扰动建模及参数辨识

为预测反作用轮微振动对航天器产生的影响,提出了一种改进的扰动模型.由于共振造成的扰动放大是反作用轮扰动对卫星姿态精度的最重要影响,改进模型通过引入放大系数体现结构固有频率对扰动的影响.鉴于改进模型的非线性特性,应用模拟退火遗传算法对改进模型进行了参数辨识.设计刚性六分量力测试平台对反作用轮扰动进行测试,并利用实测数据对改进模型及参数辨识结果进行验证.验证结果表明:改进模型准确地反映了反作用轮的扰动特点,模拟退火遗传算法可以提高参数辨识的精度.

基于控制杆的太阳帆姿态控制研究

针对由控制杆、反作用飞轮、有效载荷和太阳帆所组成的太阳帆航天器多体系统,从物理模型出发,利用拉格朗日方程建立了多体航天器的姿态动力学模型。对该类太阳帆航天器的系统能控性和稳定性进行分析,并通过数值仿真对太阳帆航天器三轴姿态控制的响应特性和行星际轨道转移过程中姿态控制效果进行研究。研究结果表明,在行星际飞行中利用顶部带有载荷的控制杆和反作用飞轮来对太阳帆航天器进行三轴姿态控制的方法是可行的。

考虑耦合效应的动量轮扰动测量

动量轮微振动是影响卫星姿态控制精度的重要因素.测量动量轮扰动的目的是掌握其扰动规律,进而采取相应的控制方法和隔离技术.由于动量轮的扰动频带很宽,扰动会与测试台的固有频率产生耦合.应用"动质量测试法"来定量地考察测试台刚度对扰动力测试的影响,并建立动量轮的力学模型,以得到不受影响的纯扰动.设计两种不同刚度的测试平台进行扰动测试.应用放大系数对测试结果进行修正,得到消除测试平台刚度影响的测试结果并进行比较.比较结果表明:动质量测试与理论建模结合法能够得到测试台的刚度对测试结果的影响.

空间绳系机器人姿态容错控制方法研究

在精确姿态控制阶段,由于反作用轮的故障,空间绳系机器人会出现姿态控制失稳的问题,为此,提出了一种空间绳系机器人姿态容错控制的新方法。该容错控制方法利用时间延迟控制算法,将前一个周期的控制量引入到当前控制律中,估计并补偿由于反作用轮故障引起的当前控制量变化。在推导该容错控制方法的基础上证明了它的稳定性,从反作用轮无故障和有故障两个方面,对利用时间延迟控制算法与利用PD控制算法的控制律进行了仿真比较。仿真结果表明,利用时间延迟控制方法跟踪目标姿态精度高、鲁棒性强;将时间延迟控制方法用于调整反作用轮故障状态下空间绳系机器人姿态具有较强的稳定性。

考虑未知飞轮摩擦力矩的航天器姿态跟踪鲁棒自适应控制

针对存在未知飞轮摩擦力矩和外干扰力矩情况下的姿态跟踪问题,提出并分析一种鲁棒自适应姿态控制律。姿态控制律采用一种间接处理未知飞轮摩擦力矩和外干扰力矩的方法。该方法并不直接关注未知摩擦力矩和外干扰力矩本身,而是关注其界,并用其进行控制器设计。最后基于Barbalat引理证明所得闭环系统的稳定性,并给出数值仿真结果。仿真结果校验了所提方法的有效性。

反作用轮扰动对航天器结构动态特性的影响分析

反作用轮是影响航天器姿态控制系统精度的主要扰动源之一。为了研究反作用轮扰动对在轨航天器产生的影响,并采取相应的控制方法和隔离系统,分析了引起反作用轮扰动的原因,建立了基于反作用轮扰动试验模型的扰动精细模型。在此基础上建立了航天器整星在轨状态结构有限元模型,将反作用轮扰动作为激励源,进行了整星在轨状态结构动态特性仿真,详细地分析了反作用轮扰动对整星结构动态特性的影响。仿真分析结果可以准确地预测反作用轮扰动对在轨航天器动态特性的影响,有利于航天器星载设备的分布和安装,可以提高星载设备的精度和性能,并为航天器姿态控制系统设计和地面试验提供了参考和依据。

轻型高精度卫星的变结构姿态控制器

针对某些小卫星高指向精度和高稳定精度的姿态控制要求 ,设计了能克服反作用轮转速过零扰动的变结构姿态控制器 ,并对反作用轮转速过零时低速摩擦对卫星姿态产生扰动的机理进行了分析 ,建立了仿真用反作用轮低速摩擦动力学模型。同 PID控制器相比 ,该变结构姿态控制器能有效抑制反作用轮的低速摩擦影响 ,并具有良好的鲁棒性。数学仿真进一步证明了该变结构姿态控制器的有效性 ,其指向精度和稳定精度分别可达 0 .3°和 0 .0 0 1°/

反作用飞轮内干扰抑制方法研究

该文主要从反作用飞轮运动特点出发,详细分析了轮子内摩擦干扰和动静不平衡干扰,建立了相应数学模型。并根据各干扰的作用特点采用相应的抑制方法,即内摩擦的观测补偿方法和动不平衡的迟后、超前校正抑制方法。通过仿真计算,这两类方法都能较大地提高卫星姿态精度和稳定度。

基于飞轮的偏置动量卫星周期干扰补偿方法

为了提高偏置动量卫星姿态控制精度,针对三轴稳定偏置动量卫星滚动/偏航回路周期干扰力矩补偿问题,提出了一种基于反作用飞轮的滚动/偏航回路周期干扰力矩补偿方案。采用频率分离法,分析了周期干扰力矩对卫星滚动/偏航回路姿态控制精度的影响。设计了周期干扰力矩的飞轮补偿方案,该干扰力矩补偿方案由安装在卫星滚动/偏航轴上的反作用飞轮实现。仿真结果表明,所设计的飞轮补偿方案提高了滚动/偏航轴的控制精度,从而验证了飞轮补偿方案的可行性和有效性。

飞轮拟主动隔振方法

航天器上安装的精密有效载荷需要一个十分"安静"的工作环境,而作为一个主要的激振源,姿态控制飞轮产生的振动会严重影响有效载荷的工作质量。除提高飞轮的制造精度外,为飞轮设计安装隔振装置是一种较为有效的方法。本文总结了国内外针对飞轮隔振问题进行的研究工作与解决方案,讨论了被动隔振与主动隔振的优缺点,使用等效被动元件的方法分析了主动控制规律的本质,并在此基础上提出了一种使用被动元件实现主动控制规律的飞轮拟主动隔振方法。仿真计算结果表明,拟主动隔振方法能够改善被动隔振装置的性能,能够在保证高频隔振性能的同时有效衰减共振峰值。

反作用轮扰动特性测量及研究

反作用轮微振动是影响卫星姿态控制精度的重要因素。测量反作用轮扰动的目的是掌握其扰动规律,进而采取相应的控制方法和隔离技术。考虑到反作用轮的扰动与安装条件有关,使用"刚性六分量测试平台"和"柔性六分量测试平台"两种方法进行反作用轮扰动特性测量,并从三个方面对两种方法得到的结果进行比较。比较结果表明,不同测试条件下得到的谐波数是相同的;安装结构刚度降低会降低反作用轮的固有频率;柔性安装条件的减振作用会降低扰动峰值。试验结果可以为探讨卫星结构动态特性对扰动力的影响提供经验和指导。

反作用飞轮力矩模式控制系统设计

反作用飞轮是卫星姿态控制系统的重要执行元件,提高飞轮系统的性能对卫星姿态控制系统具有重要意义。介绍了反作用飞轮力矩模式反馈补偿控制系统的设计。首先建立了反作用飞轮数学模型,并分析了摩擦力矩干扰和速率测量噪声的特性,在此基础上进行了反馈补偿控制的设计。理论分析证明,应用反馈补偿控制的飞轮系统能够精确复现力矩输出指令。运行结果表明,在复现力矩输出指令精度方面,应用反馈补偿控制的飞轮系统优于电磁力矩控制的飞轮系统。特别在克服过零力矩干扰上,应用反馈补偿控制的飞轮系统具有较高的性能。

基于Modelica语言的反作用飞轮多领域建模与仿真

反作用飞轮是三轴稳定小卫星高精度姿态控制系统的首选执行机构。针对反作用飞轮多领域耦合特性及其高置信度数值仿真问题,探索了基于Modelica语言实现反作用飞轮多领域建模与仿真的可行性。在反作用飞轮控制领域、电气领域、力学领域等不同领域数学模型的基础上,采用Modelica搭建了相应的反作用飞轮多领域仿真模型,并在设定工况下对其动态特性进行了数值仿真分析,得到了飞轮系统的多领域耦合特性。该仿真模型实现了飞轮系统不同领域模型之间的无缝集成和数据交换,能够有效分析各领域间的耦合特性。