CMG框架伺服控制与隔振器耦合稳定性分析

控制力矩陀螺(control moment gyroscope, CMG)是飞行器在轨姿态控制的重要执行机构之一,通过内部高速旋转的飞轮储存角动量,利用伺服机构驱动框架旋转输出力矩。安装隔振器可有效减少由高速旋转飞轮产生的不平衡力对飞行器上高精度载荷的影响。建立伺服机构三环控制模型和一个单自由度隔振器模型,揭示了隔振器引起伺服系统速度环耦合失稳的现象。通过分析隔振器频率、阻尼比、惯量等关键设计参数对速度环稳定性的影响,对隔振器进行详细设计,试验结果全流程验证了考虑伺服机构控制稳定性的CMG隔振器设计流程和隔振效果,为同类型产品设计提供了工程经验。

基于BSIM⁃CMG紧凑模型的NSFET直流特性建模

随着半导体制造工艺技术的发展,纳米片场效应晶体管(NSFET)成为下一代集成电路的核心器件,建立能准确描述NSFET特性的SPICE模型对提高基于NSFET的集成电路设计的成功率和缩短先进工艺的开发周期至关重要。结合Sentaurus TCAD仿真与伯克利短沟道绝缘栅场效应晶体管公共多栅(BSIM⁃CMG)紧凑模型,对NSFET进行直流特性建模。使用器件模型提取工具XModel提取器件的直流特性参数,包括单器件参数提取、温度及自热效应参数提取。结果表明,单器件直流特性参数提取平均误差小于5%,温度及自热效应的参数提取结果精准度较好,验证了模型的准确性。最后,构建并验证分组模型与工艺角模型。这些模型能准确描述不同尺寸和工艺波动对NSFET器件特性的影响,为加快高性能、低功耗NSFET的开发提供理论参考和实践指导。

具有SGCMG系统的挠性卫星姿态机动控制及验证

针对挠性卫星在轨姿态快速机动的需求,开展了星体姿态机动控制方法及控制实现研究。基于建立的挠性卫星姿态跟踪控制误差方程,给出了PD控制与补偿控制相结合的姿态跟踪控制器形式;考虑系统实现的时延影响,利用经典频率分析方法选择了兼顾系统稳定性及宽带控制的控制参数;在控制具体实现中,采用一种新型的基于力矩矢量调节奇异规避操纵策略,克服常规鲁棒奇异规避操纵存在的框架"锁死"现象,在解决奇异规避的同时避免激发挠性振动。所提出方法的有效性通过了在轨验证。

SGCMG系统的力矩指令调节及动态分配操纵方法

针对邻近奇异框架构型时解算低速框架角速度指令过大乃至饱和问题,开展了指令幅值抑制的控制力矩陀螺操纵方法研究。首先提出了力矩分配动态调整策略,设计以控制力矩陀螺历史指令信息为输入的权重系数自主调整律;然后重新定义了考虑权重分配的系统奇异度量,给出了一种综合力矩动态分配策略、零运动奇异规避与指令力矩随奇异度量相应调节手段的控制力矩陀螺操纵律,以抑制控制力矩陀螺低速框架指令幅值过大并提升系统奇异规避能力。最后所提出方法的有效性通过了姿态快速机动数学仿真校验。

MSCMG永磁偏置磁轴承的低功耗控制方法研究

磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)在输出力矩且不计重力引入的功耗时,磁轴承的铜耗与输出力矩的平方成正比。这个问题不仅导致在输出额定力矩时,磁轴承的功耗在总功耗中占有较大的比例,而且最终限制了磁悬浮控制力矩陀螺的最大输出力矩。为解决这一难题,提出了通过控制转子悬浮位置由永磁体提供转矩的方法,并且分析了转子位置变化对输出力矩的影响。通过仿真和实验表明,输出力矩时磁轴承的功耗可降至静浮水平,样机实验表明,输出力矩为21Nm时磁轴承铜耗降为原来的34%。

敏捷卫星SGCMG群姿态机动测试用例设计研究

针对SGCMG群敏捷姿态机动这一新技术,研究一种SGCMG群姿态机动测试用例设计方法;在分析SGCMG运动特性的基础上,建立了SGCMG群卫星姿态动力学模型和SGCMG群力矩输出矩阵,由此开展了SGCMG群操纵律研究及奇异性分析;结合SGCMG群卫星姿态动力学模型、运动学模型和PID控制器设计,搭建了敏捷卫星姿态控制闭环仿真系统,采用不考虑奇异规避的广义操纵律进行闭环仿真,通过遍历搜索的仿真运算,寻找分别经历无奇异、显奇异和隐奇异的典型目标姿态角组合,完成了敏捷卫星SGCMG群奇异规避算法的测试用例设计与验证,实现了对SGCMG群敏捷机动能力与系统指标的全面考核,极大提高了测试用例覆盖的全面性和有效性,具有现实的工程意义。

基于CMAC的CMG框架伺服系统摩擦补偿方法研究

为消除磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)框架伺服系统摩擦的影响,对陀螺框架系统进行动力学分析,分析了摩擦力矩随陀螺输出力矩和框架角位置及角速度的关系,建立了框架系统的非线性摩擦力矩模型。针对此摩擦模型,采用基于CMAC神经网络的摩擦补偿方式进行补偿。根据实际磁悬浮控制力矩陀螺的系统参数建立仿真模型,仿真结果验证了基于CMAC神经网络摩擦补偿的有效性。

CMG机构的优化编码程序开发

CMG机构是一种密码鉴别机构,齿牙编码是其核心设计问题。应用贪婪算法求解CMG机构优化编码的顶点着色问题,具有时间复杂度低、易于编程的优点,在大多数情况下可满足应用需求。基于这一思路,采用V isual Basic编写了一个用户界面友好的CMG机构优化编码程序。该程序包括两个功能定义清晰的模块,即编码模块和校验模块,可自动求解、校验优化编码。

油藏数值模拟软件CMG界面仿真

本文通过对CMG界面主要功能的程序设计进行详细描述,希望能帮助读者在编写石油工程专业软件时提高软件的易用性。

大型磁悬浮CMG转子的组合优化策略

为提高空间站用大型磁悬浮CMG(Control Moment Gyroscope)系统的设计效率,并获得最优设计参数,针对高转速(12000r/min)大角动量(1000N.m.s)磁悬浮转子进行优化设计与分析。提出了一种基于遗传算法(Genetic Algorithm,GA)和序列二次规划算法(Sequential Quadratic Programming,NLPQL)的组合优化策略来优化转子组件。采用ANSYS进行参数化建模,通过ISIGHT软件集成ANSYS实现优化过程。取转子质量和最大等效应力分别最小为优化目标,选择转子轮盘结构尺寸为设计变量,并根据转子运行工况对转子提出包括尺寸、强度、效能等方面约束限制。与GA、NLPQL算法相比组合优化策略的优化结果要优于单纯使用一种全局优化算法或局部优化算法。组合优化策略结果表明转子质量减少了3.92%;安全系数提高了2.69%。实验结果证明了组合优化策略的设计结果。

一种磁悬浮CMG用高速无刷直流电动机锁相高精度稳速控制系统设计方法研究

提出一种用于高速无刷直流电动机锁相速度控制器设计和参数优化方法。对锁相控制的积分环节采用了梯形公式数字积分器,与可逆计数器构成的数字积分器相比,梯形公式数字积分器具有实现简单、动态响应快、入锁范围大、抗扰动能力强等优点。在以DSP为核心的电机数字控制系统上实现了锁相稳速控制算法,并将该方法用于磁悬控制力矩陀螺高速无刷直流驱动电动机的稳速控制。实验结果表明,该方法改善了动态响应,获得了较高的稳速精度。

CMG-DM24数据采集器维护

根据CMG-DM24数据采集器在江苏省地震局的实际使用,阐述维护该采集器的重要性,介绍其内部结构和工作原理,在此基础上介绍4种常见故障,并分析原因,提供解决方案。

CMG在化妆品中的应用功效研究

通过人体法来评价羧甲基β-葡聚糖(CMG)应用于化妆品的保湿和抗衰老效果。30名志愿者随机分为空白组和样品组,样品组使用含有0.1%CMG的乳霜(O/W型),测试皮肤水分含量、透皮水分散失、皮肤粗糙度等指标以考察其对于皮肤保湿、抗衰老的功效。结果显示0.1%的CMG乳霜具有显著的保湿、抗衰老功效。

基于功耗残差的航天器CMG退化特征提取方法

为实现航天器控制力矩陀螺(CMG)性能退化状态评估,提出了一种基于卷积神经网络(CNN)与功耗残差的CMG退化特征提取方法。由于CMG控制系统对高速转子运动状态的高精准控制,CMG退化特征难以从转子运动状态数据中直接提取。针对该问题,从转子系统的能量损耗角度出发,通过分析CMG工作机理确定了影响单位时间内转子电机功耗的变量,并通过CNN建立了CMG运行状态参数与电机功耗之间的映射。将退化状态下电机实际功耗与模型输出的残差作为退化特征对CMG退化状态进行评价。通过某型号CMG的加速寿命实验数据进行验证,结果表明:构建的退化特征能够表征CMG转子轴承的性能退化情况,从而为CMG状态监测和故障预警提供参考。

CMG数模软件在聚合物驱潜力预测中的应用

河南油田为下一步扩大聚合物驱工业化应用规模，在已进行过聚合物驱一次潜力评价的区块中，优选出双河油田北块Ⅳ1－4层系，在四采一注的五点法井组地质模型的基础上，采用真三维CMG数模软进行水驱拟合及聚合物驱潜力预测。经计算，该区块聚合物驱与水驱相比可提高采收率10．90％，按聚合物驱井网控制原始地质储量的80％计算，增加可采储量120×10^4t。

姿态机动中SGCMG的一种改进奇异鲁棒操纵律设计

单框架控制力矩陀螺(SGCMG)在卫星姿态控制中以其具有大力矩输出能力而受到重视并已成功应用于在轨卫星,其应用难点是构形奇异问题,特别是在快速连续机动的过程中,CMG框架角必须迅速脱离奇异状态.使用描述CMG输出力矩和期望控制力矩夹角的奇异度量方法,以便在仿真中观察判别CMG构形的奇异程度.着重改进CMG的奇异鲁棒操纵律,应用高斯函数的方法确定鲁棒系数.仿真实例表明,与传统的梯度型零运动相比,该方法可以在卫星的连续快速机动中使CMG系统更为迅速地摆脱奇异,更为快速地完成机动并减小姿态抖动.

CMGs驱动空间机械臂的自适应终端滑模控制

针对V构型控制力矩陀螺(CMGs)驱动的空间机械臂的轨迹跟踪控制问题,研究一种自适应非奇异终端滑模(ANTSM)控制方法.利用基于Kane方程的递推组集算法建立了系统的动力学模型.以跟踪误差为变量,构造非奇异滑动面,以保证跟踪误差在滑动面上有限时间收敛.针对系统质量特性参数与关节处干扰力矩的不确定性,设计自适应控制器用以调节控制增益.该控制方法无需不确定性的上界,且闭环系统具有最终一致有界性.仿真结果表明,该控制器可使系统准确跟踪期望轨迹,并对质量特性参数不确定性和关节干扰力矩具有良好的鲁棒性.

采用斜装金字塔构型CMGs的敏捷遥感卫星姿态控制

研究了敏捷遥感卫星侧摆过程中的姿态控制问题。针对敏捷遥感卫星需要进行大角度侧摆完成成像的姿态机动任务,采用控制力矩陀螺(CMG)作为姿态控制的执行机构,提出了一种面向侧摆机动的无显奇异斜装金字塔构型方案,设计了基于参考轨迹法规划的侧摆机动控制律,结合带零运动的伪逆操纵律进行侧摆机动,消除了显奇异对侧摆机动的不利影响。最后进行了仿真验证,结果表明斜装金字塔构型方案在预设参考轨迹的约束下能够完全回避内部显奇异,实现了遥感卫星敏捷姿态机动,有利于遥感数据的高效获取。

基于跟踪微分器的CMG框架超低速测速方法研究

超低转速下,框架的测速精度是影响控制力矩陀螺框架系统控制精度的重要因素。针对超低转速下使用传统一阶后向差分方法计算转速会导致噪声放大的问题,给出了一种基于非线性跟踪微分器的实时速度估计方法,以及该方法基于四阶龙格库塔法的离散表达公式。提出了一种复合的测速策略,解决了直接使用跟踪微分器计算转速的跟踪延迟问题。进行了数值仿真分析和试验验证,仿真结果表明,所提出的测速方法有效降低了传感器输出的量化噪声和测量噪声对速度测量精度的影响;试验测试结果统计表明,相比传统的后向差分法,采用跟踪微分器计算转速,框架速度的波动量减小了67.1%。

Nonlinear Adaptive Slewing Motion Control of Spacecraft Truss Driven by Synchronous V-gimbaled CMG Precession

The slewing motion control of a truss arm driven by a V-gimbaled control-moment-gyro （CMG） is a nonlinear control problem. The V-gimbaled CMG consists of a pair of gyros that must precess synchronously. The moment of inertia of the system, the angular momentum of the gyros and the external disturbances are not exactly known. With the help of feedback linearization and recursive Lyaptmov design method, an adaptive nonlinear controller is designed to deal with the unknown items. Performance of the proposed controller is verified by simulation.