基于20-sim的双框架陀螺仪键合图建模与仿真

针对传统建模方法对陀螺结构进行建模时,存在推导过程复杂,直观性不好的问题,本文采用键合图建模方法建立双框架陀螺仪的键合图模型.首先根据陀螺仪的空间运动关系,建立系统的拉格朗日方程;然后基于拉格朗日方程与键合图模型的对应关系,采用调整转换器和调整回转器建立了陀螺仪的完整键合图模型,并采用20-sim软件对模型进行了仿真分析,仿真结果验证了模型的正确性.     

基于自适应滤波器的磁悬浮控制力矩陀螺内转子振动抑制

磁悬浮控制力矩陀螺(Magnetically Suspended Control Moment Gyroscope,MSCMG)内转子存在的多源高频振动会影响自身稳定性,导致卫星姿态指向精度降低.针对其高频扰动及抑制问题,以所研制的小型立式单框架磁悬浮控制力矩陀螺为研究对象,建立动力学模型并分析了高速磁浮转子的振动特性...     

控制力矩陀螺磁轴承-框架动力学耦合特性仿真研究

框架角速率精度决定着控制力矩陀螺输出的姿态控制力矩精度,前者的精度由框架伺服电机力矩精度和框架转动惯量决定。磁悬浮控制力矩陀螺框架转动和陀螺转子的微小扭摆运动间存在动力学耦合,其框架表现出比标称值大的等效转动惯量。在柔性结构框架动力学模型和磁轴承刚度-阻尼模型基础上,研究磁轴承-框架动力学特性,推导出框架等效转动惯量和磁轴承控制参数之间的关系式,表明调整磁轴承控制参数能增大框架等效转动惯量,提高框架角速率精度。根据闭环系统稳定性和轴承承载力,确定了磁轴承控制参数取值范围,并给出了框架等效转动惯量的调节范围。通过对某小型磁悬浮控制力矩陀螺框架角速率控制系统的Simulink仿真,证明了控制力矩精度可以提高5倍,验证了模型的准确性。     

控制力矩陀螺磁轴承-框架动力学耦合特性仿真研究简

框架角速率精度决定着控制力矩陀螺输出的姿态控制力矩精度,前者的精度由框架伺服电机力矩精度和框架转动惯量决定.磁悬浮控制力矩陀螺框架转动和陀螺转子的微小扭摆运动间存在动力学耦合,其框架表现出比标称值大的等效转动惯量.在柔性结构框架动力学模型和磁轴承刚度-阻尼模型基础上,研究磁轴承-框架动力学特性,推导出框架等效转动惯量和磁轴承控制参数之间的关系式,表明调整磁轴承控制参数能增大框架等效转动惯量,提高框架角速率精度.根据闭环系统稳定性和轴承承载力,确定了磁轴承控制参数取值范围,并给出了框架等效转动惯量的调节范围.通过对某小型磁悬浮控制力矩陀螺框架角速率控制系统的Simulink仿真,证明了控制力矩精度可以提高5倍,验证了模型的准确性.     

双框架MSCMG框架伺服系统的动力学解耦及扰动补偿

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)框架伺服系统是一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统,针对耦合力矩对框架系统速率伺服性能的影响,以及框架系统动力学解耦之后存在残余耦合、卫星运动引起的牵连力矩和非线性摩擦的问题,提出了微分几何法与扩张状态观测器(ESO)相结合的高精度控制方法,在线性化解耦的基础上对残余耦合、牵连力矩及非线性摩擦进行观测补偿以提高框架伺服系统解耦及速率跟踪性能。仿真结果表明、由耦合力矩引起的内、外框架速率波动最大值分别从0.18(°)/s和0.12(°)/s减小到5×10^-3(°)/s和4×10^-3(°)/s,内、外框架正弦角速度跟踪误差分别从0.18(°)/s和0.19(°)/s减小到0.005(°)/s和0.004(°)/s。所提出的方法实现了框架伺服系统的动力学解耦以及非线性摩擦和牵连力矩的补偿,提高了框架系统的解耦性能和速率伺服精度。     

基于拉格朗日力学的伞-弹系统动力学模型

为了回避牛顿力学体系在多体动力学建模过程中存在的复杂约束力求解问题,以拉格朗日力学体系为基础,从分析力学的角度出发,建立了铅垂平面内降落伞-弹系统五自由度动力学模型。详细介绍了拉格朗日力学体系动力学建模过程,推导了铅垂平面内伞-弹系统动能公式,解决了伞-弹系统广义力求解问题,给出了伞-弹所受空气动力的广义力表示。算例将建立的伞-弹系统模型和牛顿力学体系下简化的伞-弹模型进行对比,两种模型计算结果吻合,验证了本文模型的正确性。降落伞-弹系统动力学模型验证了拉格朗日力学在常规飞行器动力学建模中的可行性,为使用ADAMS等基于拉格朗日力学思想建模的商业软件进行伞-弹系统动力学求解提供理论依据,可以用于指导伞-弹系统的分析和设计。     

双轴挠性速率陀螺

 一个高速旋转的挠性圆片,代替了常规速率陀螺中的转子、框架、阻尼器和弹簧。它可以敏感输入平面内任意方向的角速度,构成一个双轴速率陀螺。本文介绍它的结构和作用原理;用拉格朗日方程建立它的运动方程式和传递函数方块图;分析挠性片在陀螺力矩作用下的弯曲变形规律和仪表的动态特性,说明电阻尼校正原理;文末列举具体的性能数据指出这种陀螺的主要特点并展示其应用前景。     

同转/对转双转子系统的动力学特性

建立了双转子动力学模型,引入中介轴承刚度和高、低压转子陀螺力矩的影响,利用数值分析和实验验证,揭示了同转/对转双转子系统临界转速特性和不平衡响应存在的差异,以及转速比对同转/对转双转子临界转速特性和不平衡响应的影响.结果表明:陀螺力矩是影响带有中介支承的双转子系统转子刚度的主要原因,其刚度变化与内、外转子的转速比大小和相对旋转方向有关,进而导致同转/对转双转子系统临界转速特性和不平衡响应发生改变;相比同结构的同转双转子,在相同的不平衡量作用下,对转双转子的不平衡响应更为显著.对转双转子进行动平衡时,应更加严格的控制内、外转子的不平衡量.      

基于ESO的DGVSCMG双框架伺服系统不匹配扰动抑制

针对双框架变速率控制力矩陀螺（DGVSCMG）两种工作模式下内、外框架系统存在的不匹配干扰抑制问题,提出一种基于扩张状态观测器与状态反馈的扰动抑制方法。在对飞轮工作模式和陀螺工作模式下内、外框架系统的干扰进行建模和分析的基础上,针对其不匹配干扰设计了扩张状态观测器,通过坐标变换减小框架系统扰动对不匹配通道的影响,并结合状态反馈控制设计了复合控制器,同时对全局系统稳定性进行了分析。对框架系统进行的仿真结果验证了所提复合控制方法的有效性。实验结果表明,所提出的控制方法能有效减小耦合力矩对内外框架角速率带来的影响,在飞轮模式下使得内外框架的角速率跳动量分别降低了85%和78%,且在陀螺模式下使外框架角速率跳动量降低了75%。     

漂浮基空间机器人捕获卫星过程冲击动力学建模及基于非线性滤波器的镇定运动控制

研究了空间机器人系统捕获目标卫星时发生碰撞的冲击效应及之后的稳定控制问题。首先利用拉格朗日第二类方程建立了空间机器人系统的动力学模型,目标物的动力学方程则通过牛顿欧拉法获得。其次利用运动几何关系及动量守恒原理,分析了碰撞冲击对系统的影响。对于两者接触后形成失稳的联合体系统,设计了输出反馈控制方案,以完成稳定控制。同时,考虑到空间机器人输入力矩有限的条件,运用带饱和函数的控制率将控制力矩限制在一定范围内。该方案利用非线性滤波器估测机械臂关节的速度,使其在控制过程中仅需测量系统位置信息。最后,通过李雅普诺夫判据证明了系统的稳定性。数值仿真实验模拟了碰撞冲击效应,并验证了上述控制方案的有效性。     

Precise control of a magnetically suspended double-gimbal control moment gyroscope using differential geometry decoupling method

Precise control of a magnetically suspended double-gimbal control moment gyroscope (MSDGCMG) is of vital importance and challenge to the attitude positioning of spacecraft owing to its multivariable, nonlinear and strong coupled properties. This paper proposes a novel linearization and decoupling method based on differential geometry theory and combines it with the internal model controller (IMC) to guarantee the system robustness to the external disturbance and parameter uncertainty. Furthermore, by introducing the dynamic compensation for the inner-gimbal rate-servo system and the magnetically suspended rotor (MSR) system only, we can eliminate the influence of the unmodeled dynamics to the decoupling control accuracy as well as save costs and inhibit noises effectively. The simulation results verify the nice decoupling and robustness performance of the system using the proposed method.     

空间绳系机器人捕获目标后的面内自适应回收方法

在空间绳系机器人(TSR)捕获目标星后,操作机构与目标星形成质量、惯量和系绳连接点位置等参数未知的组合体,且系绳长度、偏角与组合体姿态严重耦合,控制输入严格受限,回收控制十分困难。针对其回收难题,综合考虑系绳长度、系绳偏角与组合体姿态,利用拉格朗日法建立了轨道面内的动力学模型,并基于动态逆理论设计了一种自适应抗饱和回收控制方法。首先,在对组合体质量、惯量与系绳连接点进行在线估计的基础上,设计一种自适应动态逆回收控制器;然后,设计辅助变量对控制输入进行补偿,解决控制输入受限问题;最后进行仿真验证。仿真结果表明,在线估计器能够快速有效地估计组合体动力学参数,回收控制系统能够利用受限的控制输入克服抓捕时刻的系绳偏角和组合体姿态扰动,并沿设计的回收轨迹实现稳定有效回收。     

升降舵辅助操纵的自转旋翼机自适应姿态控制

针对常规自转旋翼机俯仰操纵方式存在的问题,提出了一种升降舵辅助操纵的自转旋翼机布局。采用解析叶素积分方法建立了自转旋翼气动模型,通过与风洞试验数据及数值叶素积分法的对比验证了其合理性。提出了基于神经网络动态逆的自转旋翼机姿态控制方法,采用动态逆技术设计了基本控制器,采用在线神经网络自适应补偿建模误差、外界干扰和设计模型误差导致的不确定逆误差。提出了基于动态控制分配技术的升降舵-旋翼纵向周期变距分配方法,以协调二者在控制效率和带宽方面的差异。仿真结果表明,提出的升降舵辅助操纵方式可以有效地降低旋翼机桨盘的调整频率和幅值;提出的姿态控制方法具有良好的控制性能和鲁棒性;动态控制分配器能够合理地协调升降舵和旋翼纵向周期变距。     

纳卫星变轨段质量矩姿态控制系统设计

提出应用质量矩控制技术实现纳卫星轨道机动过程中的姿态稳定控制。在设计出质量矩滑块构型后,利用动量和动量矩定理推导了八自由度(DOF)动力学模型,并根据动力学分析结果建立了简化控制模型。以此为基础,基于全局滑模控制理论设计了俯仰偏航通道姿态稳定和滑块位置跟踪的鲁棒控制器,并在参数不确定性条件下对控制系统进行了仿真,结果表明:所设计的二维质量矩控制系统能快速控制卫星姿态,并对系统扰动具有较强的鲁棒性,可以应用于纳卫星变轨段的姿态控制。     

Spacecraft attitude maneuver control using two parallel mounted 3-DOF spherical actuators

A parallel configuration using two 3-degree-of-freedom (3-DOF) spherical electromag-netic momentum exchange actuators is investigated for large angle spacecraft attitude maneuvers. First, the full dynamic equations of motion for the spacecraft system are derived by the Newton-Euler method. To facilitate computation, virtual gimbal coordinate frames are established. Second, a nonlinear control law in terms of quaternions is developed via backstepping method. The pro-posed control law compensates the coupling torques arising from the spacecraft rotation, and is robust against the external disturbances. Then, the singularity problem is analyzed. To avoid sin-gularities, a modified weighed Moore-Pseudo inverse velocity steering law based on null motion is proposed. The weighted matrices are carefully designed to switch the actuators and redistribute the control torques. The null motion is used to reorient the rotor away from the tilt angle saturation state. Finally, numerical simulations of rest-to-rest maneuvers are performed to validate the effec-tiveness of the proposed method.     

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。     

电动力绳系周期解求解及稳定性控制

电动力绳系姿态摆动动力学方程具有非线性特点,且姿态摆动状态直接影响着空间任务能否正常进行。首先,基于哑铃模型及偶极子地磁场模型假设,推导了在倾斜圆轨道上运行的电动力绳系姿态动力学方程。其次,给出了利用摄动法和不动点迭代法相互配合的数值方法求解该非线性方程周期解的过程及解的稳定性判断准则,并针对不稳定周期解提出了相应的稳定性控制策略。最后,通过数值仿真分析,得到了姿态摆动运动的周期解图像,验证了周期解求解算法的有效性,并对不稳定周期解实现了稳定性控制。     

基于自抗扰理论的小型四旋翼飞行器姿态控制

针对四旋翼飞行器的强耦合性、非线性、易受外界干扰等控制难点,研究利用自抗扰控制器对四旋翼飞行器进行姿态控制的技术问题。通过牛顿-欧拉方程建立四旋翼飞行器动力学模型,将不确定性、耦合及参数摄动等干扰作为"总和干扰",利用扩张状态观测器进行估计并动态反馈补偿,再利用非线性反馈抑制补偿残差,进行四旋翼飞行器姿态控制仿真实验。结果表明:在存在模型参数摄动和外界扰动的情况下,扩张状态观测器很好地实时估计和补偿了四旋翼飞行器的总和干扰,基于自抗扰的四旋翼飞行器姿态控制系统具有较好的动态品质、稳态精度以及较强的鲁棒性。     

非合作航天器姿态接管无辨识预设性能控制

在对非合作航天器进行姿态接管控制时,可能面对目标航天器参数未知、构型改变引起的不确定性及目标施加的非合作控制输入等挑战。针对上述问题提出了一种基于预设性能控制理论的非合作航天器姿态接管控制方法。首先,建立了姿态跟踪运动的非奇异拉格朗日型模型;然后,利用跟踪微分器构造不包含角速度信息的广义状态量,设计无需参数辨识的非奇异预设性能控制器,并证明了系统状态变量的有界性和控制系统在预设的性能指标以内。最后,通过数值仿真验证了所提出方法的有效性及其对时变参数不确定性和非合作控制输入的鲁棒性。     

质量矩导弹构型及自适应控制律设计

 质量矩导弹姿态运动模型含有活动质量块的位置、速度和加速度项,是典型的带有输入非线性的快时变多体系统。从构型和控制律设计两方面入手研究该类导弹跟踪控制问题。通过对姿态动力学模型的深入分析,获得了一种使系统具备良好动态品质的构型。以此为基础,建立了仿射型姿态运动模型,利用退步方法设计了控制律;考虑到系统中存在气动参数、外界扰动和执行机构动态特性等不确定因素,设计了鲁棒自适应补偿项;最后进行数学仿真,通过与标准退步控制律进行比较,验证了该控制律的有效性。