飞轮扰振特性及振动控制方法

航天器高精度稳定平台要求飞轮在工作转速范围内的干扰力尽可能低,因此需要对飞轮本身固有的扰振力进行有效抑制,一般对机械飞轮采用被动振动隔离方法,而对磁悬浮飞轮采用主动振动控制方法.分别介绍机械飞轮和磁悬浮飞轮的微振动特性,分析其扰振产生的原因,阐述振动隔离以及振动控制原理,并通过测试系统对现阶段振动抑制效果进行了说明.     

单轴台的大角度姿态快速机动联合控制方法

为验证小卫星大角度姿态快速机动与高精度稳定控制能力,基于单轴气浮台硬件仿真环境,提出了一种利用推力器与飞轮组合的联合控制策略.采用相平面控制技术与有限时间控制理论设计控制器,利用推力器实现无超调的快速机动控制,利用飞轮实现有限时间内的高精度稳定控制,使单轴台在有限时间内快速高精度稳定于目标姿态.物理仿真结果表明:该方法在有限时间内完成单轴台快速稳定控制的同时,可有效避免机动过程中的超调现象,且能有效规避推力器的频繁开关与飞轮的过快饱和等问题.     

空间平台姿态联合控制律设计

空间平台发射有效载荷会对平台姿态产生很大的扰动,为快速消除扰动影响并使平台稳定,选取推力器与反作用飞轮进行姿态联合稳定控制,提出了基于推力器的极小时间控制律和基于反作用飞轮的滑模变结构控制律,前者用于快速抑制扰动,后者用于姿态精确稳定,并提出一种控制律切换方法.对空间动能发射后平台的姿态稳定过程进行数学仿真,结果表明,设计的姿态联合控制律能够快速抑制平台姿态扰动,最终消除挠性部件振动达到精确稳定.     

空间平台姿态联合控制律设计

空间平台发射有效载荷会对平台姿态产生很大的扰动,为快速消除扰动影响并使平台稳定,选取推力器与反作用飞轮进行姿态联合稳定控制,提出了基于推力器的极小时间控制律和基于反作用飞轮的滑模变结构控制律,前者用于快速抑制扰动,后者用于姿态精确稳定,并提出一种控制律切换方法.对空间动能发射后平台的姿态稳定过程进行数学仿真,结果表明,设计的姿态联合控制律能够快速抑制平台姿态扰动,最终消除挠性部件振动达到精确稳定.     

挠性支承对飞轮隔振系统性能的影响分析

飞轮的高速转子在运转过程中会激发微幅多频振动,对航天器的高精度姿态稳定控制产生不利影响.本文基于飞轮隔振系统结构,建立其动力学模型,并通过实验验证该被动隔振装置的固有模态.对增加挠性支承的飞轮隔振系统的数学模型,通过仿真分析隔振装置在挠性支承条件下对飞轮扰动的抑制效果,实验测试了不同挠性支承条件对飞轮隔振系统微振动特性的影响.结果表明,隔振装置在悬臂挠性支承条件下依然具有优异的隔振性能,挠性支承刚度的适当减弱有利于飞轮隔振系统抑制扰动;挠性支承刚度会降低飞轮隔振系统的二阶结构固有振动频率,但基本不影响其涡动特性.     

一种磁悬浮飞轮增益预调交叉反馈控制方法

磁悬浮飞轮转子在高转速下表现出的陀螺效应是影响系统稳定性的主要因素.为了提高磁悬浮飞轮的失稳转速,针对陀螺效应引起的系统章动失稳和进动失稳,提出了一种基于转速的增益预调交叉反馈控制方法,针对不同的转速段,建立在线控制相对应的交叉反馈通道增益和带宽参数表,对进动模态和章动模态分别实现交叉相位补偿.采用该控制方法用经典控制理论中的根轨迹法对系统的章动稳定性进行了仿真并对控制参数进行了优化.仿真和实验结果表明,采用这种基于转速的增益预调交叉反馈的控制算法,能够有效地抑制磁悬浮飞轮转子陀螺效应所导致的章动失稳,所设计的磁悬浮飞轮原理样机能够稳定运行在其额定转速30000r/min.      

变速控制力矩陀螺模式调度型操纵律设计

变速控制力矩陀螺(VSCMG)是一种飞轮转速可变的单框架控制力矩陀螺,可工作在控制力矩陀螺(CMG)模式、飞轮(RW)模式以及VSCMG模式.考虑VSCMG的工作特点,设计一种工作模式自主调度的操纵律.当系统远离奇异时,仅以CMG模式工作,产生大的输出力矩.当系统接近奇异时,以VSCMG模式工作,采用RW协助CMG回避奇异.当航天器处于姿态稳定模式需要精细控制力矩时,仅以RW模式工作.该操纵律由模式调度策略、CMG操纵律、RW操纵律3部分组成,把一个3×2N矩阵的求伪逆问题转化为两个3×N矩阵的求伪逆问题,物理意义明显,奇异回避易于实现.对某4-VSCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的.     

轮控欠驱动航天器的姿态控制特性

针对由飞轮控制的欠驱动航天器,研究了直接以飞轮转速为控制输入时航天器姿态的小时间局部可控性与可镇定性。首先,视飞轮转速为输入,将航天器与飞轮总角动量守恒的约束直接纳入系统动力学方程中。然后,利用非线性系统的可控性与可镇定性理论分析该系统方程在分别带有一个和两个飞轮时的控制特性。结果表明,仅在带有两个非共轴的飞轮时航天器的姿态才有可能满足局部可控;同时,系统已经不能被时不变光滑状态反馈渐近镇定,但至少可以被分段连续的状态反馈渐近镇定。据此,设计了基于四元数的非光滑控制器使得航天器的姿态迅速镇定,同时飞轮转速不超过最大转速,既验证了理论分析结果的正确性,又具有一定的实用意义。     

开关电源拓扑在飞轮控制系统中的应用综述

卫星在轨运行时,在光照区/阴影区下,卫星电源母线电压差异较大,飞轮在高转速运行时,电机反电势较高,为了满足需求,具有升压功能的开关电源拓扑在飞轮控制系统中得到了有效应用。介绍了几种常用的非隔离型/隔离型拓扑结构,为未来飞轮控制系统的设计提供了有实际意义的应用思路。     

260型抽气管卡口力学有限元分析及其优化改进研究

某飞轮所用260型抽气管具有结构紧凑的特点;但是在卡口密封时如果焊接抽气管所用钎料变形受力过大,可能导致飞轮内部真空泄漏.利用有限元分析软件,对某飞轮所用260型及其改进型抽气管卡口时的受力情况进行了分析,分析结果表明现有260型抽气管受力安全.并提出了改进的最优方案,可为后续完善该处结构设计、提高飞轮密封可靠性提供参考.     

基于干扰观测器的磁悬浮姿控飞轮电机控制

由于磁悬浮飞轮转子不平衡振动的存在,飞轮力矩/转速控制精度受到影响.为有效地对不平衡振动干扰进行估计,提出了一种针对时变谐波扰动的非线性干扰观测方法,观测器的动态与稳态性能可以根据系统要求设定,具有全局一致收敛性;在非线性干扰观测器的基础上设计变结构控制器对飞轮转速进行控制并对干扰进行补偿,通过改进变结构控制器的滑模函数与控制律系统抖振可以有效地削弱.仿真与实验结果表明:基于非线性干扰观测器的变结构控制器具有很好的扰动抑制能力和动态响应、稳态误差调节能力,可用于实现飞轮输出力矩控制.     

一种基于串联解耦的陀螺飞轮摆角控制方法

陀螺飞轮通过挠性支撑的动量轮转子加减速及侧向摆动实现三轴控制力矩输出,飞轮转子两维侧摆伺服系统是实现三轴力矩输出功能的关键.高速转子两维侧摆运动存在强耦合,采用常规的PID控制器无法实现两通道独立输出控制力矩.给出了一种解耦控制方法,通过串联解耦矩阵实现两维摆角解耦控制,并通过实时计算解耦矩阵系数解决解耦矩阵随飞轮转子转速时变的问题.数值仿真结果验证了这种解耦控制方法的有效性.     

飞轮控制的欠驱动刚体航天器姿态控制器设计

针对"三正交加斜装"反作用轮系统中某两个本体轴上的飞轮失效的欠驱动情况,研究了航天器的姿态控制问题.在系统初始角动量为零的条件下,设计分段解耦控制律,实现了姿态稳定.采用欧拉角描述法建立了欠驱动航天器的姿态动力学方程和运动学方程.在系统初始角动量为零的条件下,通过分析方程的解耦特性,设计了分段解耦控制律.该方法经过6次机动控制,可实现姿态稳定.数值仿真验证了方法的有效性.     

采用SMA驱动的小型空间磁悬浮飞轮锁紧机构

磁悬浮飞轮锁紧机构在卫星发射时锁紧飞轮,减小其振动和冲击载荷;在发射后解锁,保证飞轮正常工作.目前已有的以火工品或步进电机驱动的锁紧机构具有冲击大、体积较大、不可重复使用等缺点.提出了一种采用形状记忆合金(SMA, Shape Memory Alloy)驱动的空间磁悬浮飞轮锁紧机构的设计方案,并在Liang本构模型的基础上发展了机构驱动单元的设计方法.之后,完成了锁紧机构的样机研制和调试,并开展了地面的性能测试、振动试验和高温环境试验.研究结果表明:SMA锁紧机构安装体积小,在星载28 V电压下能在6 s内完全锁紧,在1 s内完全解锁,并能够通过振动和环境实验.SMA驱动的磁悬浮飞轮锁紧机构具有锁紧力大、同步性好、可重复使用、低冲击、无污染等优势,有很大的工程应用潜力.      

磁悬浮反作用飞轮磁轴承动反力分析及实验

针对磁悬浮反作用飞轮转子系统,提出了一种描述混合磁轴承动反力的新模型.基于拉格朗日原理,将飞轮转子两去重面内不平衡质量矩等效至两端径向磁轴承位置,并与转子惯性轴偏离几何轴引起的离心力共同作用,得到磁轴承动反力.仿真结果表明:转子两不平衡质量矩大小相等时,其振幅从相位差φa-φb=0时的30μm减小至φa-φb=π时的10μm(减小了2/3),从转速为1000 r/min时的5μm增加至5000 r/min时的10μm(增加了1倍).测试实验结果与仿真结果一致,为飞轮系统高精度高稳定度控制奠定了基础.     

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.     

基于LightGBM的卫星飞轮温度预测

为保障卫星的正常在轨运行,地面系统需要对卫星运行状态进行监控预警,其中对卫星各系统的温度监控尤为重要.温度不仅直接反映卫星系统的健康状态,更会对系统器件的性能和寿命造成影响.飞轮作为卫星姿态控制系统的重要组件,其温度变化是识别姿态控制系统状态的重要信息.卫星飞轮温度的预测与预警对卫星在轨稳定运行具有重要意义.本文基于某在轨卫星遥测数据,结合空间环境数据,应用LightGBM机器学习框架研究建立梯度提升决策树模型,对卫星飞轮温度进行预测.经与实际遥测温度值进行对比验证,预测精度可以满足对卫星飞轮温度的监视需求.研究结果可应用于地面系统,对卫星姿态控制系统可能发生的温度异常进行预警,使地面运控人员能够提前规避风险,保障卫星的安全在轨运行.      

飞轮转速过零时卫星姿态的非线性控制

当飞轮转速过零时,摩擦力矩发生非线性变化,控制作 用力矩出现不确定性,从而影响卫星的姿态控制性能。文章基于一种具有鲁棒性的非线性控 制方法,发展了简单、可靠和稳定的非线性反馈控制律。仿真实例表明,该方法能够有效地 抑制反作用飞轮转速过零时引起的姿态扰动,从而实现高精度的卫星姿态控制。     

带有两个飞轮的欠驱动航天器姿态稳定控制研究

在系统总角动量不为零的前提下,仅带两个飞轮的航天器无法实现本体系相对于惯性系三轴姿态角为零的稳定控制,而已实现的角速度稳定控制和自旋稳定控制也无法满足姿态控制任务的多样化需求。于是在系统总角动量不为零时,首次提出存在最大程度姿态稳定形式为航天器本体三轴角速度稳定,同时固连于航天器的某一特定视线轴指向任意给定惯性方向。利用一种新的姿态描述形式推导出了角速度为零时航天器的目标姿态,然后基于线性化后的系统设计了线性二次型最优控制器。数值仿真表明利用此控制器能实现所提出的姿态稳定形式,这对于无须实现本体系相对惯性系三轴姿态角为零,而只需对固连于本体的天线或相机进行惯性空间定向控制的航天器将完全满足其姿态控制要求,同时也能提高欠驱动航天器的可靠性。