Influence of flexible solar arrays on vibration isolation platform of control moment gyroscopes

A high-performance vibration isolation platform （VIP） has been developed for a cluster of control moment gyroscopes （CMGs）. CMGs have long been used for satellite attitude control. In this paper, the influence of flexible solar arrays on a passive multi-strut VIP of CMGs for a satellite is analyzed. The reasonable parameters design of flexi- ble solar arrays is discussed. Firstly, the dynamic model of the integrated satellite with flexible solar arrays, the VIP and CMGs is conducted by Newton-Euler method. Then based on reasonable assumptions, the transmissibility matrix of the VIP is derived. Secondly, the influences of the flexible solar arrays on both the performance of the VIP and the stability of closed-loop control systems are analyzed in detail. The parameter design limitation of these solar arrays is discussed. At last, by selecting reasonable parameters for both the VIP and flexible solar arrays, the attitude stabilization performance with vibration isolation system is predicted via simulation.

Application of Ultrasonic Motor to Control of Moment Gyroscope Gimbal Servo System

Attitude control system is one of the most important subsystems in a spacecraft.As a key actuator,the control moment gyroscope(CMG)mainly determines the performance of attitude control system.Whereas,the control accuracy and output torque smoothness of the CMG depends more on its gimbal servo system.Considering the constraints of size,mass and power consumption for a small satellite,here,a mini-CMG is designed,in which the gimbal servo system is driven by an ultrasonic motor.The good performances of the CMG are obtained by both the ultrasonic motor and the rotary inductosyn.The direct drive of gimbal improves its dynamic performance,with the output bandwidth above 20 Hz.The angular and speed closed-loop control obtains the 0.02°/s gimbal rate,and the output torque resolution better than 2×10^(-3) N·m.The ultrasonic motor provides 1.0N·m self-lock torque during power-off,with 12arc-second position accuracy.

Model predictive control of rigid spacecraft with two variable speed control moment gyroscopes

In this paper, an attitude maneuver control problem is investigated for a rigid spacecraft using an array of two variable speed control moment gyroscopes （VSCMGs） with gimbal axes skewed to each other. A mathematical model is constructed by taking the spacecraft and the gyroscopes together as an integrated system, with the coupling interaction between them considered. To overcome the singular issues of the VSCMGs due to the conventional torque-based method, the first-order derivative of gimbal rates and the second-order derivative of the rotor spinning velocity, instead of the gyroscope torques, are taken as input variables. Moreover, taking external disturbances into account, a feedback control law is designed for the system based on a method of nonlinear model predictive control （NMPC）. The attitude maneuver can be realized fast and smoothly by using the proposed controller in this paper.

采用SGCMG的两轮单辙平台自平衡控制技术

针对以自行车、摩托车为代表的两轮单辙平台的自然不稳定问题,采用单框架控制力矩陀螺(SGCMG)为平衡控制机构,研究两轮单辙平台不同工况下自平衡控制算法。分析两轮单辙平台横向力矩,推导横滚转动动力学方程,并根据不同状态误差设计了增益调度PID控制器;建立轮-地接触点模型,修正曲线运动时目标横滚角,减小反馈静差,获得更好的动态响应;以前叉转向趋势预估未来时刻转向角度与目标平衡横滚角度,提前调整姿态以重力矩抵消离心力矩,模拟人骑行时的预判压弯行为。相关算法经仿真验证与实车测试,可在静止与曲线运动等工况下保持动态平衡,效果良好,表明了算法的有效性。

Data⁃Based Feedback Relearning Algorithm for Robust Control of SGCMG Gimbal Servo System with Multi⁃source Disturbance

Single gimbal control moment gyroscope(SGCMG)with high precision and fast response is an important attitude control system for high precision docking,rapid maneuvering navigation and guidance system in the aerospace field.In this paper,considering the influence of multi-source disturbance,a data-based feedback relearning(FR)algorithm is designed for the robust control of SGCMG gimbal servo system.Based on adaptive dynamic programming and least-square principle,the FR algorithm is used to obtain the servo control strategy by collecting the online operation data of SGCMG system.This is a model-free learning strategy in which no prior knowledge of the SGCMG model is required.Then,combining the reinforcement learning mechanism,the servo control strategy is interacted with system dynamic of SGCMG.The adaptive evaluation and improvement of servo control strategy against the multi-source disturbance are realized.Meanwhile,a data redistribution method based on experience replay is designed to reduce data correlation to improve algorithm stability and data utilization efficiency.Finally,by comparing with other methods on the simulation model of SGCMG,the effectiveness of the proposed servo control strategy is verified.

CMG框架超低速无电流环矢量控制研究

针对控制力矩陀螺框架在超低速工况下存在转速测量精度低、多源扰动力矩及非线性摩擦等问题,提出了基于无电流环矢量控制的超低速驱动控制方法。首先,建立超低速工况下的框架电机的机电模型,设计了无电流环磁场矢量控制器(field-oriented control,简称FOC);其次,针对转速测量精度的问题,设计了转速观测器作为反馈环节。结果表明,与方波驱动法相比,该方法无换相转矩,提高了转速测量精度,且在面对多源扰动、非线性摩擦时具有鲁棒性。仿真和实验结果验证了该方法的可行性和有效性。

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。

一种CMG动载荷主动补偿方法

提出了一种基于磁力发生器的控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope,CMG)动载荷主动补偿方法来改善轴系工况。首先介绍磁力发生器的结构与工作原理,给出磁力发生器的设计参数;然后对CMG系统进行动力学建模;接下来通过等效磁路法与有限元法对装置的输出特性进行计算,通过实验测试磁力发生器的静态和动态输出特性,与计算结果进行对比,并对模型参数进行拟合;最后通过仿真研究磁力发生器的动载荷主动补偿效果。

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。

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。

提高双框架磁悬浮CMG动态响应能力的磁轴承补偿控制方法与试验研究

针对高动态响应双框架磁悬浮控制力矩陀螺对高速转子悬浮精度的影响,分析磁悬浮高速转子与内、外框架非线性耦合特性,建立内外框架转动时的高速转子动力学模型。该模型在原有陀螺力矩的基础上兼顾转动惯性力矩,考虑到转动惯性力矩中框架角加速度变量在测量过程中存在的不确定干扰和噪声,采用鲁棒H∞滤波对内外框架角加速度进行滤波估计;在此基础上,根据力矩补偿控制策略,利用磁轴承控制系统驱动线圈产生相应的电磁力,对转动惯性力矩和陀螺力矩进行补偿控制。试验结果表明,H∞滤波对于噪声的不确定性具有良好的鲁棒性,磁悬浮高速转子跳动量减至补偿前的30%以内,提高了磁悬浮系统的稳定性和悬浮精度,改善了控制力矩陀螺的力矩输出特性。

SGCMG系统框架角轨迹跟踪自适应补偿控制

作为应用在航天器上的惯性执行机构 ,单框架控制力矩陀螺 (SGCMG)系统框架角空间的轨迹跟踪性能对航天器姿态控制 (或稳定 )精度有着极大的影响 .为提高SGCMG系统框架角轨迹跟踪性能 ,本文在轨迹跟踪控制中 ,采用了“PD +自适应补偿”的控制器结构 .通过分析可以发现 ,此种控制器不但可使轨迹跟踪误差收敛至零 ,实现有限时间跟踪控制 ,而且可使轨迹跟踪误差每一分量的绝对值指数收敛 .对应用在航天器上的金字塔形4 SGCMG系统框架角空间轨迹跟踪控制的仿真结果表明 。

SGCMG系统非奇异路径规划

单框架控制力矩陀螺 (SGCMG)是应用在航天器上的一类惯性执行机构 .在航天器的姿态控制中 ,通常采用三个或以上的SGCMG ,以满足三轴控制的要求 .但是 ,当多个SGCMG协调工作时 ,系统会出现奇异现象 ,并极大地降低了SGCMG系统的操纵性能 .为回避SGCMG系统的奇异 ,本文提出了一种新的奇异回避条件 ,并通过对非线性规划中当前Kuhn Tucker乘子值的估计 ,得到了冗余SGCMG系统闭合形式的非奇异路径 ,而不需繁杂的数值求解 .正是由于这些新的手段 ,使得本文提出的算法不仅具有良好的奇异回避性能 ,而且形式简单 ,易于实现 .对金字塔构形的 4 SGCMG系统的仿真结果表明 ,上述算法是可行的 .

SGCMGs驱动的挠性航天器有限时间自适应鲁棒控制

针对挠性航天器系统中同时存在单框架控制力矩陀螺群(Single gimbaled control moment gyroscopes,SGCMGs)摩擦非线性、电磁干扰力矩、惯量摄动以及外部干扰等问题,提出了一种有限时间自适应鲁棒控制(Finite-time adaptive robust control,FTARC)方法.针对系统中存在未知参数的情况,分别设计自适应更新律,使得控制器的设计不依赖参数信息,同时减小外部干扰对系统的不利影响.应用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统姿态角误差和姿态角速度误差可在有限时间内收敛到原点附近的邻域内.仿真结果表明,所提控制律可实现挠性航天器姿态快速机动,并获得甚高指向精度.

悬臂式SGCMG的高速转子的径向振动特性研究

悬臂式单框架控制力矩陀螺(SGCMG)的高速转子在运行过程中将会激发复杂的微幅高频振动,迄今对SGCMG的这种振动特性的认识既不准确也不完整。首先,在线性假设的基础上分析了径向振动的来源——静动不平衡量所产生的离心力和力偶以及预紧轴承滚动面的几何误差产生的预紧力的波动;其次,在结构的基础上利用分析力学的方法得到了悬臂式高速转子的径向振动模型——相互耦合的二阶常微分方程组;最后,通过数值仿真和测试结果的对比验证了分析的合理性和模型的有效性。

不平衡质量对磁悬浮CMG转子运动特性的影响分析及实验

研究了磁悬浮控制力矩陀螺系统中具有强陀螺效应的转子(额定转速为20000rpm,额定角动量为200Nms)在不平衡质量影响下的动力学特性。建立了永磁偏置混合磁轴承—转子系统的动力学模型。通过分离法将转子的不平衡质量分配到两个径向磁轴承支承的位置,并分析了系统在相同的控制参数条件下,这两个位置的不平衡质量在不同情况下对磁悬浮转子运动轨迹、振动情况(振动幅值和形状)的影响。仿真结果表明,当两校正面上的不平衡质量矩的相位差相同时,振幅最大,而当相位差为180°时,振幅最小,与同相位时的振动情况相比,振幅减小了65.2%,有利于减小干扰并提高系统的精度,并通过实验测试进行了验证。为提高系统的稳定性、控制精度、转子动平衡要求都提供了的理论依据和参考价值。

基于逆系统方法的DGMSCMG框架伺服系统解耦控制研究

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double-gimbal magnetically suspended control moment gyroscope,DGMSCMG)的框架伺服系统是一个多变量、非线性且强耦合的复杂系统.为了进一步提高框架伺服系统的控制精度,本文提出了一种基于电流模式的动态逆系统解耦方法,通过对功放系统的动态补偿有效克服了未建模动态对解耦性能的影响,采用自适应滑模控制器有效提高了系统的跟踪特性.

动基座下DGCMG框架伺服系统干扰补偿控制

针对双框架控制力矩陀螺(double gimbal control moment gyro,简称DGCMG)内外框架间的耦合力矩和航天器快速机动带来的牵连力矩引起框架角速率波动问题,建立了动基座下DGCMG框架伺服系统的动力学模型,提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer,简称ESO)的扰动力矩估计方法。对耦合力矩、牵连力矩等扰动力矩进行估计并采用力矩前馈的方式进行补偿,从而抑制扰动力矩对框架伺服系统控制精度的影响。仿真及实验结果表明,该控制方法能有效抑制由于扰动力矩引起的框架速率波动,提高了框架的速率输出精度。

带VSCMGs的航天器姿态稳定及功率补偿控制

基于变速控制力矩陀螺群动力学模型建立其复合控制方程和分系统解耦约束方程,用矩阵投影方法同步设计得到航天器姿态与能量一体控制复合操纵律,利用Lyapunov方法分析了转子轴向惯量误差对姿态控制分系统的影响.根据飞轮转子轴向惯量与功率输出之间的误差关系设计出功率控制补偿器.复合操纵律中的力矩和功率两解形式相同,约束方程使得姿态与能量控制两分系统解耦,便于进行考虑执行机构特性的闭环控制系统性能分析.考虑飞轮转子轴向惯量误差时,姿态控制分系统的输出耗散特性使其能够保持稳定,而功率控制分系统输出误差与转子轴向惯量误差成比例关系,经过补偿后功率输出能满足控制要求.

DGCMG框架伺服系统摩擦力矩建模及辨识

为了减小强陀螺效应条件下双框架控制力矩陀螺(double gimbal control moment gyroscope,简称DGCMG)框架伺服系统的非线性摩擦力矩对框架伺服系统控制精度的影响,提出了一种对DGCMG框架伺服系统非线性摩擦力矩精确建模和辨识的方法。分析了DGCMG框架伺服系统的动力学方程,在研究内、外框架摩擦力矩随内外框架角速度和陀螺力矩变化规律的基础上,建立了内、外框架摩擦力矩精确的数学模型,并用控制力矩陀螺的实际参数和实验采集数据对摩擦力矩模型参数进行了遗忘因子递推最小二乘法辨识。实验结果验证了所建模型的正确性和辨识结果的准确性,有助于补偿DGCMG框架伺服系统的非线性摩擦力矩,提高框架伺服系统的控制精度。