基于光纤陀螺的工程结构形变检测精度分析

针对光纤陀螺形变检测系统在应用中遇到的形变精度难以评估和运行速度难以选择问题,对形变检测精度和光纤陀螺性能之间的关系进行了分析。从光纤陀螺的工程结构形变检测机理出发,基于光纤陀螺误差模型,分析了光纤陀螺零偏重复性误差和稳定性误差与形变检测误差的对应关系,在此基础上还仿真分析了检测系统的运行速度与检测精度的关系。仿真结果表明,当运行速度较快时,稳定性误差是影响检测精度的主要因素,当运行速度较低时,重复性误差是影响检测精度的主要因素,若采用中精度光纤陀螺,运行速度2 m/s时,可实现均方根为8.514μm的形变测量精度。研究成果可为光纤陀螺工程结构形变检测技术的工程应用提供理论指导。

采用变速控制力矩陀螺的一种姿态/能量一体化控制研究

本文研究采用变速控制力矩陀螺 (VSCMG)的航天器姿态 /能量一体化控制技术。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型 ,并给出了全局稳定的姿态反馈控制律。以控制力矩陀螺群的构型奇异量度为依据 ,分别考虑了 VSCMG的控制力矩陀螺 (CMG)工作模式和反作用飞轮 (RW)工作模式。在陀螺群接近奇异时启用转子的反作用飞轮工作模式来补偿控制力矩陀螺采用鲁棒伪逆操纵律时所引起的力矩误差 ;在陀螺群远离奇异状态时 ,用控制力矩陀螺来补偿转子储能带来的干扰力矩。在姿态控制的同时利用转子的变速特性 ,完成按照给定的功率存储 /释放能量 ,并在陀螺群远离奇异状态时对储能过程中转子的转速进行调节 ,以保持良好的动量包络外形。最后以某航天器的姿态控制为例 。

高姿态稳定度敏捷卫星的VSCMGs操纵律研究

研究采用变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)作为姿态控制执行机构的高姿态稳定度敏捷卫星的操纵律设计问题。将VSCMG分为控制力矩陀螺(CMG)和动量轮(MW)两种工作模式,针对每种工作模式进行奇异性分析,并给出逃避奇异的方法。为了获得较好的控制效果,还研究了VSCMGs转子转速向标称转速平衡的方法以及通过调整转子轴构型使转子转速快速返回到标称值的方法。最后通过对算例进行仿真,验证了所设计的操纵律的有效性。

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。

采用平行构型变速控制力矩陀螺群的航天器姿态控制

研究了平行构型变速控制力矩陀螺群的控制律及其在航天器姿态控制中的应用。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型,并给出了全局渐近稳定的姿态反馈控制律。将每一对框架平行的陀螺作为独立的单元控制,引入了与控制力矩陀螺的框架运动相关的动坐标系,在此基础上给出了控制力矩陀螺的一种控制律。此控制律使陀螺群在奇异状态下仍具有可控性,并且力矩误差在动坐标系的某一方向始终为零,从而利用共轴的构型特点和陀螺转子的可变速性补偿控制力矩陀螺的力矩误差,使变速控制力矩陀螺群的输出力矩与期望的力矩相等。最后以双平行构型为例,对航天器的姿态稳定控制进行了数值仿真,并给出了一种控制力矩的分配方案。仿真结果证明了控制律算法的有效性。

挠性航天器大角度机动的振动抑制控制

建立了带变速控制力矩陀螺群的挠性航天器的动力学模型,应用误差四元数来描述姿态运动,将星体大角度姿态机动问题转化为误差四元数的调节问题。针对挠性航天器三轴同时姿态机动时挠性附件的振动抑制问题,提出了基于动态输出反馈控制的振动抑制方法,设计了仅利用姿态四元数而无需以角速度测量、挠性变形位移及速率测量作为反馈的动态控制规律。基于Lyapunov方法证明了所设计的动态控制器保证了姿态的渐近稳定和模态振动的衰减。基于Matlab/Simulink进行了仿真验证,结果表明了所提出的控制方法的可行性和有效性。

基于VSCMG的卫星姿态控制仿真系统

介绍了一种新型卫星姿态控制全物理仿真系统,此仿真系统以长春光机所最新研制的高精度三轴气浮转台为平台,采用变速控制力矩陀螺(VSCMG)为主要控制执行机构,并结合喷气推力机构作为系统的辅助执行机构给控制力矩陀螺进行卸载。此系统应用高精度光纤陀螺、高精度倾角传感器和磁强计等姿态确定器件构成一套完整的姿态控制全物理仿真系统。介绍了整个仿真系统的软硬件构成,并结合传感器和执行机构参数进行建模和误差分析。本仿真系统可以为一般卫星姿态控制,尤其是以VSCMG为主要执行机构的敏捷型小卫星的姿态控制策略和算法提供良好的仿真验证平台。

应用变速控制力矩陀螺的微小卫星大角度姿态机动控制

研究了变速控制力矩陀螺(VSCMG)作为执行机构的微小卫星多目标快速姿态机动的控制问题.控制力矩陀螺(CMG)可以在不增加功耗、质量和体积的条件下为微小卫星提供独特的控制力矩、角动量和姿态机动能力,这有助于微小卫星变得更加机动灵活.首先建立了以变速控制力矩为执行机构的航天器姿态动力学模型,采用修正Rodrigues参数描述姿态.在考虑执行机构饱和、机动速率限制、控制带宽限制等情况下,设计了基于Lyapunov理论的非线性姿态反馈控制器.以采用VSCMG为执行机构的某微小卫星为例进行了数值仿真,结果表明卫星在机动中达到了快速和稳定的要求,提出的非线性姿态反馈控制器有很好的鲁棒性和有效性.

基于纺丝电锭振动特性分析的结构优化及试验研究

以降低某企业传统纺丝电锭振动强度为目的,采用刚柔耦合动力学建模方法建立纺丝电锭动态模型;运用Adams和Ansys联合仿真对电锭系统进行振动特性分析,获得系统受迫振动的幅频特性信息,依据分析结果运用阻尼缓冲减振技术和高速陀螺稳定调心技术对电锭结构进行优化,对优化结果进行软件验证和试验验证。结果证明:该结构优化实用,有效。为纺丝电锭离心机的技术进步提供了设计依据和成功案例的经验,更重要的是能为纺丝行业自主装备的发展带来巨大的经济效益。

采用变速控制力矩陀螺的航天器姿态跟踪研究

研究了以变速控制力矩陀螺(VSCMG)作为执行机构的航天器姿态跟踪问题.建立了以VSCMG为执行机构的航天器姿态动力学模型,引入一阶稳定的线性角速度滤波方程,同时,根据Lyapunov稳定性定理,设计了闭环系统的控制律.利用加权的最小范数解得到VSCMG的姿态控制输入矢量.提出了表征VSCMG构型的新奇异度量,在其基础上利用梯度法构建了VSCMG的零运动,以回避VSCMG的构型奇异,并使转子转速趋于期望值.以四陀螺金字塔构型为例进行仿真,仿真结果验证了该算法的可行性和有效性.

基于提高轴承疲劳寿命的纺丝电锭离心机结构优化

针对某企业传统纺丝电锭离心机轴承疲劳寿命低的问题,采用阻尼缓冲减振技术和高速陀螺稳定调心技术对电锭结构进行改进。以现代计算机仿真模拟技术为基础,通过Adams软件对纺丝电锭系统进行动力学分析以提取轴承的受力信息,再运用Matlab/Simulink模块计算轴承的疲劳寿命,对改进结果进行软件验证。实验结果表明:该结构优化实用,有效。

基于速度位置双闭环控制的视轴稳定系统设计

视轴稳定伺服系统用于隔离振动或冲击对摄像系统成像的影响。系统由航向和俯仰框架组成,速度传感器、角位置传感器、航向电机、俯仰电机、主控制器构成了速度、位置双闭环稳定控制系统。利用位置环调节来保证系统准确性的基础上加入速度环调节来提高系统响应速度,使系统的响应时间小于50 ms,过渡时间小于200ms。

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。

新型阻尼减振电锭离心机振动仿真与试验分析

在充分利用了传统纺丝电锭离心机优点的前提下,设计了一种基于阻尼缓冲技术、高速陀螺稳心技术和迷宫式离心密封技术的新型阻尼减振稳心式电锭离心机,通过纺丝电锭离心机在稳定运行状态下的振动仿真分析与物理样机试验研究,验证了该新型纺丝电锭离心机设计的合理性和有效性。为纺丝电锭离心机的自主开发设计与验证试验提出了可推广应用的研究方法和手段,为后续的纺丝电锭离心机的开发、故障诊断、试验研究奠定了一定的理论与试验基础。

应用变速控制力矩陀螺的卫星姿态机动的非线性控制

研究了以变速控制力矩陀螺(VSCMG)作为执行机构的卫星多目标快速机动的控制问题。首先建立了带有多个变速控制力矩陀螺的航天器姿态动力学模型,采用修正的罗德里格斯参数(MRP)描述姿态运动。在考虑执行机构饱和、机动速率限制、控制带宽限制等情况下,设计了基于Lyapunov理论的非线性姿态反馈控制器。针对外部干扰会使控制力矩陀螺的框架角偏移其标称值的情况,采取磁补偿控制来保持框架角在一定范围变化。以采用VSCMG为执行机构的某卫星为例进行了数值仿真,仿真结果验证了提出的非线性姿态反馈控制器的有效性,采取的磁补偿控制也很好地抑制了变速控制力矩陀螺框架角的偏移。

轻型舰载天线双轴稳定平台伺服控制器设计研究

双轴稳定平台可以隔离舰船摇摆对舰载天线通信质量的影响;在研究平台隔离舰船运动原理的基础上,提出了一种电机转矩环,陀螺速度环和平台位置环的三闭环伺服控制器;其中电机转矩环提高了电机输出转矩的线性度;陀螺速度环利用光纤陀螺仪作为速度反馈传感器来构成稳定平台系统在惯性空间速度闭环,采用Fuzzy+PID控制相结合的复合控制策略,有效隔离舰船运动对平台姿态的影响;配合由二维水平倾角仪作为位置传感器的平台位置闭环,构成双轴稳定平台伺服控制系统;系统联调测试结果表明,系统稳定精度在1°以内,满足设计指标和精度要求,且系统动、静态性能良好。

高速转子的轴向振动分析及优化验证

控制力矩陀螺作为姿态控制系统的执行机构,其核心单元——高速转子在工作过程中产生的轴向振动会影响系统的控制精度,通过分析高速转子产生轴向振动的原因,提出了降低其轴向振动的措施和方法,通过试验验证了其有效性和合理性。

无刷直流陀螺电机的高精度恒速控制

介绍了一种能够实现三相绕组无刷直流陀螺电机的锁相恒速控制方法,所提出的定脉冲三相移电路是将高精度的参考脉冲信号移相成频率不变、相位差为120°的三组脉冲信号,分别与各相反电势检测整形的反馈信号进行相位比较,由该比较输出的数字脉冲信号直接控制电机的三相绕组导通工作。锁定时,使电机反电势的频率脉冲与参考脉冲成为一一对应的关系,电机就处于高精度恒速运行。通过样机试验,其恒速控制精度达到0.001%。

基于DSP的两相无刷直流陀螺电机稳速系统

为了进一步提高陀螺仪的寻北精度,分析研究了陀螺电机转速大小和转速精度对寻北结果的影响。在此基础上设计了一种基于TMS320LF2407A的两相无刷直流陀螺电机控制系统,阐述了两相无刷直流电机的工作原理,给出了电机的简化结构及数学模型,并通过对硬件系统和软件算法的设计实现了两相无刷直流陀螺电机的闭环控制。实验结果表明:系统可以很好地完成电机的启动、制动和平稳运行,转速精度优于10-6,满足陀螺仪的工作要求。

激光陀螺捷联惯性导航系统零速修正研究

针对激光陀螺捷联惯性导航系统不依赖外部信息修正,长时间工作累积放大的问题,分析常用的零速修正算法二次曲线拟合法、最小二乘法、卡尔曼滤波法等,结合车载激光陀螺捷联惯性导航系统实际应用,提出一种自适应零速修正方法,利用零速修正技术的约束条件,构建15个基本误差参数,根据系统自身误差特性,设计出系统的状态量测矩阵和量测方程,并采用基于普条件数可观测理论对系统各状态进行了可观测性分析,确定卡尔曼滤波器参数,从而实现对位置坐标、姿态角、速度误差进行了有效估计,可以有效提高惯性测量单元(IMU)导航精度。实验表明,采用该方法能有效提高了捷联惯性导航系统导航精度,既克服了频繁停车,又增强了载体的机动性能。