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%。     

Analysis of dynamics of a passive line-of-sight stabilization system with four-axis gimbal suspension

A mechanical model of the line-of-sight stabilization system for the optical device mounted on a movable carrier vehicle is considered. The nonlinear Lagrange equations of motion for a four-axis gimbal suspension are derived. Requirements on design and parameters for the passive line-of-sight shock absorption system of the optoelectronic payload are worked out.     

基于扩张状态观测器的DGMSCMG框架伺服系统振动抑制方法

针对带有谐波减速器的双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架系统存在较低频率谐振点的问题,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)振动抑制的控制方法。在谐波减速器的输入端和输出端分别设计三阶扩张状态观测器,通过电机及负载端的角位置信号不但能够估计电机和负载的角速率,而且可以比较准确地估计到扭转刚度的非线性变化及外部扰动力矩引起的综合扰动,通过反馈及前馈补偿对综合扰动进行抑制。设计的基于扩张状态观测器的控制器抑制了框架伺服系统的振动、提高了框架的速率输出精度。仿真及实验结果表明了该控制算法是有效的并具有较强的鲁棒性。     

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.     

Calibration of Precision Gimbaled Pointing Systems

Corrections of pointing data provided by gimbal readout transducers can be used to compensate for the errors that arise because of gimbal misalignments and inaccuracies in transducer readout. This paper reviews the sources of pointing error in precision gimbaled pointing systems and describes the techniques for determining them. In particular, a method of calibration that is suitable for systems in which constraints on gimbal travel preclude the use of conventional calibration procedures is presented, and the pointing readout accuracy that can be achieved by this method is evaluated.     

Rotational maneuver of nonlinear uncertain elastic spacecraft

The question of attitude control and elastic mode stabilization of a spacecraft (orbiter) with beam-tip-mass-type payloads is considered. A three-axis moment control law is derived to control the attitude of the spacecraft. The derivation of the control moments acting on the spacecraft does not require any information on the system dynamics. The control law includes a reference model and a dynamic compensator in the feedback path. For damping out the elastic motion excited by the slewing maneuver, an elastic mode stabilizer is designed. The stabilization is achieved by modal velocity feedback using force and torque actuators located at the payload end of the elastic beam. Collocated actuators and sensors provide robust stabilization. Simulation results are presented to show that rotational maneuvers and vibration stabilization can be accomplished in the closed-loop systems despite the presence of model uncertainty and disturbance torque in the system     

高精度液压仿真转台鲁棒控制

 针对液压仿真转台具有时变不确定性、复杂外干扰等特点和高精度控制性能要求，提出了一种鲁棒复合控制结构，该结构由鲁棒内回路补偿器、外回路反馈控制器和输入信号前馈补偿器三部分组成。其中，鲁棒内回路补偿器用来抑制外干扰和时变不确定性的影响，外回路反馈控制器的作用是保证闭环系统的整体性能，输入信号前馈补偿器实现对系统动态时滞的补偿，以保证对参考信号的精确跟踪。以某型液压仿真转台内环为例，首先根据所提出控制策略的基本思想，给出了控制系统的具体设计过程，然后，进行了阶跃响应、低速跟踪和正弦响应试验。试验结果表明，所提出的鲁棒控制策略是有效的和可行的。     

滚转弹两框架导引头的前馈补偿技术

针对弹体滚转情况下两框架平台式导引头的伺服控制问题,基于导引头运动学和动力学,建立了导引头稳定回路模型。结合弹体滚转条件下的导引头输入指令和输出视线角速率关系,构建了视线闭环回路。针对偏航、俯仰通道间的解耦控制问题,推导出解耦条件,要求两通道由失调角到光轴转动角速度的传递函数相同。仿真分析了该模型在视线角输入以及弹体姿态扰动输入时,弹体滚转对导引头跟踪精度产生的影响,并由此提出了滚转角速度前馈补偿控制方案。结果表明,采用结合滚转角前馈补偿控制的两框架平台式导引头方案可以满足滚转弹的制导精度要求。     

Compound Control for Hydraulic Flight Motion Simulator

The design of a compound control is presented for the servo system of hydraulic flight motion simulator, which suffers from highly nonlinear dynamics, large parameter time-variation and severe load coupling among channels. The compound control is composed of a robust feedback controller and a feedforward compensator. The design aim is to achieve high tracking performance even in the presence of considerable uncertainty, external disturbance and load coupling among channels. Toward this aim the feedback controller for rejecting perturbation and disturbance is designed by using μ synthesis optimization technique and the feedforward compensator for compensating time lag of dynamic system is established based on the basic idea of zero phase error tracking. To validate the proposed control strategy, simulations and experiments are implemented, and show that the resulting system is highly robust against model perturbation and possesses excellent capability of suppressing the load coupling and improving the tracking performance.     

Composite control method for stabilizing spacecraft attitude in terms of Rodrigues parameters

In this paper, the attitude stabilization problem of a rigid spacecraft described by Rodrigues parameters is investigated via a composite control strategy, which combines a feedback control law designed by a finite time control technique with a feedforward compensator based on a linear disturbance observer (DOB) method. By choosing a suitable coordinate transformation, the spacecraft dynamics can be divided into three second-order subsystems. Each subsystem includes a certain part and an uncertain part. By using the finite time control technique, a continuous finite time controller is designed for the certain part. The uncertain part is considered to be a lumped disturbance, which is estimated by a DOB, and a corresponding feedforward design is then implemented to compensate the disturbance. Simulation results are employed to confirm the effectiveness of the proposed approach.     

前飞状态倾转旋翼机气弹稳定性建模

基于刚性桨叶、刚体短舱及弹性机翼的假设,计入桨叶的变距/挥舞/摆振结构耦合及变距与万向铰的耦合,分别在惯性系下采用牛顿法和有限元法建立了旋翼和机翼的动力学方程,通过桨毂与短舱/机翼系统之间的共有自由度将动力学方程耦合起来,得到了前飞状态下全铰接式倾转旋翼/短舱/机翼耦合系统气弹稳定性分析模型,气动模型采用改进的叶素-动量理论,计入了扰动引起的非定常气动力影响.通过算例验证了建模的正确性.      

水平风洞中开展飞机尾旋特性研究的理论分析

以某飞机尾旋特性为例,在水平风洞中利用具有3自由度的模型支撑装置开展飞机尾旋特性研究并进行理论分析;将基于3自由度装置的建模仿真结果与传统的6自由度飞行仿真、立式风洞尾旋试验结果进行对比,结果显示,三者具有较好的一致性;利用3自由度支撑装置开展飞机尾旋特性研究还可获得飞机尾旋进入和发展阶段的运动参数,可实现尾旋进入、发展及改出的全过程模拟。同时,研究了支撑装置曲杆惯量、机构摩擦和质心偏离等因素对飞机尾旋特性试验结果的影响,结果表明在曲杆及飞机模型设计时,需严格控制曲杆惯量和质心偏移,机构摩擦对试验结果的影响不大。     

相控阵雷达捷联波束稳定方法

针对相控阵雷达系统中平台扰动引起的波束指向变化问题,提出一种捷联波束稳定方法。该方法作为独立模块实现,由角速度传感器和信号处理机组成,无需精确的初始姿态。角速度传感器感知平台扰动造成的天线转动角速度,信号处理机完成补偿角的迭代求解和波束的控制。通过算法仿真和利用单轴转台模拟平台扰动验证可得,采用捷联波束稳定方法后,雷达测量角误差明显减小,隔离度指标有了极大改善。因此,该方法能够有效地减小平台扰动对波束指向的影响,易于工程实现,适用于小型化的无人机等平台。     

惯性平台稳定回路干扰观测补偿控制律设计

为改善惯性平台稳定回路静/动态性能,以工程实用性为原则,提出稳定回路干扰观测补偿控制律设计方法。从回路模型分析入手,借鉴干扰观测机制,将被控模型不确定性、轴端摩擦等视为未知扰动,通过前馈方式引入在线补偿,依据鲁棒稳定条件改进低通滤波器设计,结合线性反馈控制保证回路各项指标。模拟计算表明,该方法不仅保留经典控制响应快速、易调节等全部优点,而且系统鲁棒性显著提高。     

武装直升机瞄准线粗/精组合二级稳定技术

提出并采用一种粗/精组合二级稳定的新方案,用于对武装直升机多传感器光电综合制导系统瞄准线（LOS）及图象进行高精度稳定与跟踪。该技术的重要特征是采用挠性支承精稳反射镜组件以及粗/精多回路复合控制技术以获得高回路带宽和对扰动的大幅度衰减。用一个双自由度陀螺进行稳定及跟踪,有效地解决了粗/精通道的匹配与耦合。与传统的LOS稳定系统相比较,稳定精度提高近一个数量级。根据某型直升机振动频谱进行定频振动测试,目前的原理样机在35kg稳定负载下其稳定精度优于14微弧（RMS）,粗、精振幅衰减比大于8倍。     

输入无模型动态扰动非线性系统的反演控制

研究了输入无模型动态扰动的不确定非线性系统的全局镇定。基于控制李雅普诺夫函数,设计了反演控制律,利用自抗扰的思想,构建扩展状态观测器来处理输入无模型动态,仿真结果验证了本方法的有效性。文章提出的控制方法适用于很多非线性系统。     

铝基复合材料在平台环架的应用研究

惯性平台环架对零件的刚度、强度的要求很高,传统铝合金材料已经很难满 足新型平台的要求。对铝基复合材料早期性能和改良后的性能进行了研究,通过仿真分析 及力学试验,验证了铝基复合材料通过二次变形加工的方法,有效提高了强度和延伸率, 应用复合材料后,在大过载情况下能够有效抵抗变形,从而提高平台系统精度。     

风洞虚拟飞行模型机与原型机动力学特性分析

在低速风洞虚拟飞行试验系统中,采用三自由度（3-DOF）球铰支撑动力学相似缩比飞机模型,在气动力矩作用下试验模型可绕质心自由转动。这种带约束的运动与具有六自由度（6-DOF）的真实大气飞行存在差别,鉴于此,对各影响因素逐个剖离并进行了数值模拟和对比分析。结果表明：位移约束使两者间的动力学特性产生较明显的差异,缩比的影响符合相似准则规律,机构摩擦、模型重心与支撑点不重合影响较小,常值干扰力矩对模型的初始响应有一定影响。对比分析结果可以用于指导风洞虚拟飞行试验的开展,并有助于完善风洞虚拟飞行试验技术及其拓展应用。