大型控制力矩陀螺动力学精细建模与仿真

控制力矩陀螺（CMG,control moment gyro）系统存在多种误差与扰动,影响航天器的姿态控制精度.分析了大型单框架控制力矩陀螺（SGCMG,single gimbal control moment gyro）各主要组成部分的特性、误差及扰动,包括转子动静不平衡、转子轴的安装误差、轴承摩擦、转子电机特性、框架电机特性和谐波减速器特性.通过建立大型SGCMG的动力学精细模型并进行数学仿真,得到了大型SGCMG主要误差与扰动对其输出力矩的影响：在框架伺服系统加装谐波齿轮减速机构可以明显提高SGCMG输出力矩精度,同时也给框架带来高频谐振;转子动不平衡造成的扰动力矩是导致SGCMG在其力矩输出轴和框架轴方向产生输出力矩偏差的主要原因.     

大型控制力矩陀螺动力学精细建模与仿真

控制力矩陀螺(CMG,control moment gyro)系统存在多种误差与扰动,影响航天器的姿态控制精度.分析了大型单框架控制力矩陀螺(SGCMG,single gimbal control moment gyro)各主要组成部分的特性、误差及扰动,包括转子动静不平衡、转子轴的安装误差、轴承摩擦、转子电机特性、框架电机特性和谐波减速器特性.通过建立大型SGCMG的动力学精细模型并进行数学仿真,得到了大型SGCMG主要误差与扰动对其输出力矩的影响:在框架伺服系统加装谐波齿轮减速机构可以明显提高SGCMG输出力矩精度,同时也给框架带来高频谐振;转子动不平衡造成的扰动力矩是导致SGCMG在其力矩输出轴和框架轴方向产生输出力矩偏差的主要原因.     

基于迭代学习算法的控制力矩陀螺框架扰动抑制策略研究

卫星的快速机动以及高精度姿态控制,越来越依赖高精度的控制力矩陀螺(CMG)力矩输出,这就需要CMG低速框架能够有效抑制扰动力矩,降低转速波动.对由高速转子动不平衡引起的扰动力矩进行了分析和建模.为了抑制该扰动力矩对低速框架转速稳定性的影响,在传统的低速框架PID双环控制系统上嵌入了迭代学习的控制算法.通过仿真实验验证该控制方法能够有效抑制扰振力矩,大幅度的提高CMG的输出力矩精度.     

太阳帆板驱动机构微振动建模及摩擦补偿研究

从太阳帆板驱动机构（SADA）微振动产生机理出发,考虑电机谐波力矩和导电环摩擦力矩对电机输出力矩的影响,建立以永磁同步电机（PMSM）为驱动源的闭环SADA模型及其与挠性负载耦合的动力学方程.通过拟合电机低速运行时导电环摩擦力矩随转速的变化曲线,利用非线性最小二乘法辨识摩擦模型静态参数,并在电机闭环反馈调节机制中引入摩擦补偿环节.通过对比和分析摩擦补偿前后电机控制量以及帆板转速输出的变化,仿真结果表明摩擦补偿在一定程度上消除了摩擦对SADA低速运行性能的影响,为降低SADA对超静卫星平台和高性能载荷的影响以及展开对其微振动优化和抑制提供依据.     

"神舟"号飞船帆板驱动系统堵转校核

利用简化模型分析了太阳帆板驱动系统产生堵转现象的原因.用牛顿-欧拉法和拉格朗日方法建立了"神舟"号帆板的动力学模型,用模态截断方法对方程进行了化简.在对"神舟"号飞船帆板进行堵转校核时考虑了驱动系统的回差和谐波减速器的单向传递特性,分析了驱动力矩和驱动频率对系统堵转现象的影响.     

数传跟踪天线驱动控制建模与仿真

星载高增益数传跟踪天线一般采用步进电动机和谐波减速器作为驱动源,要求其跟踪执行精度小于0灡1°(3σ)。文章以数传跟踪天线机构为研究对象,综合考虑了步进电动机矢量转矩模型、谐波齿轮的非线性动力学模型以及驱动电路动态模型。建立了非线性数字仿真模型,通过仿真计算,得到跟踪机构的单步响应、跟踪精度、输出转矩等运动特性,比较仿真结果和试验结果,对所建模型进行验证。比较结果表明,建立的天线机构驱动模型准确可靠,执行精度小于0.017°(3σ),满足天线指向精度要求。     

力矩输出能力最优化混合执行机构操纵律设计

当航天器执行高动态敏捷机动或者姿态动态跟踪控制等任务时，常使用控制力矩陀螺（control moment gyroscope，简称CMG）和飞轮（reaction wheel，简称RW）构成的混合执行机构来提供大力矩。提出了基于力矩输出能力最优化的混合执行机构操纵律，从几何角度出发，给出了力矩输出能力最优的CMG框架角速度和RW角加速度，通过引入参数，并讨论参数的设置的最优，使得框架转速误差和输出力矩误差的混合二次型达到最小，保证了混合执行机构在输出力矩误差最小的情况下，力矩输出能力最优。以金字塔构型的CMG集群和正交的RW集群构成的混合执行机构为例，对基于力矩输出能力最优化的混合执行机构操纵律进行合理化分析，证明了引入参数的作用，并且证明了混合执行机构不存在CMG奇异情况。仿真结果表明，基于力矩输出能力最优化的混合执行机构操纵律解决了CMG奇异的问题并使得RW不陷入饱和，输出力矩误差较小，输出力矩能力强，能够应用于航天器大角度机动任务。     

电动伺服舵系统动力学建模及颤振分析

舵机动力学对舵系统颤振有最直接影响,其动力学模型的准确建立是颤振分析的关键。以某电动伺服舵系统为对象,分别建立了电机、减速器及控制回路模型。基于其地面振动试验（GVT）数据特征,考虑了减速器中零部件间隙及滚珠丝杠间接触刚度2类非线性因素。动力学仿真结果复现了试验现象,证明了接触刚度和间隙对该伺服舵系统动力学特征的主导作用。在颤振分析中,对比了接触刚度和常数刚度2种假设下,舵机在不同阶跃角指令下的舵偏角响应。发现常数刚度下舵系统仅存在极限环（LCO）和失稳2个域,临界速度不会随间隙大小而变化;而接触刚度下存在稳定、LCO和失稳3个域,且相同风速下,其临界指令角较常数刚度假设更高,但其临界速度却会随间隙增大而减小,甚至小于常数刚度假设,应引起足够重视。      

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.     

一种高性能控制力矩陀螺框架控制方法的仿真研究

由控制力矩陀螺群构成的姿态控制系统是目前敏捷卫星实现姿态快速机动和精确控制的最佳选择,而低速框架的控制精度、响应速度与稳定性直接决定了控制力矩陀螺的工作性能.针对敏捷卫星对控制力矩陀螺工作性能的高要求,本文提出了一种框架的高性能控制方案——基于永磁同步电机及磁场定向控制算法,并结合框架角速度观测器的直接驱动控制方案.在框架角速度极低时,为解决角度传感器的分辨率无法满足控制精度要求的问题,引入Luenberger状态观测器获得框架角速度的观测值,并将该观测值引入框架角速度闭环控制系统.理论分析、仿真实验的结果证明了该方案的有效性.随后,针对电机参数漂移对观测值的影响进行了仿真分析,仿真结果证明了基于观测器的角速度闭环控制系统的鲁棒性.     

基于自适应反步的DGMSCMG框架伺服系统控制方法

针对双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)内、外框架伺服系统耦合力矩及传动机构的非线性传动特性影响框架角速率精度的问题,提出一种基于自适应反步的非线性鲁棒控制器的设计方法。首先分别就双框架伺服系统耦合力矩及框架传动机构的非线性传动特性对系统稳定性和角速率精度的影响进行分析;其次利用反步理论,通过构造适当的Lyapunov函数并逐级反推得到控制律,保证参数估值的收敛性和系统的全局稳定性;最后通过仿真分析并以小型DGMSCMG系统为对象进行实验,结果表明:与电流前馈控制比较,所提出的自适应反步控制方法,既增强双框架伺服系统的扰动抑制能力,又提高框架角速率精度。      

控制力矩陀螺框架高精度周期随动控制

为实现控制力矩陀螺框架伺服系统的高精度周期随动控制,采用比例积分微分(PID,Proportion Integration Differentiation)控制器结合重复控制器的控制方式,PID控制器实现框架伺服系统静态和匀速运动的高精度控制,插入式重复控制器实现对周期性输入信号的精确跟踪.对控制力矩陀螺框架系统进行了建模,设计了PID控制器与插入式重复控制器,并分析了重复控制器的稳定性条件、稳态跟踪性能和对扰动的抑制能力.仿真结果和实验结果表明:采用插入式重复控制器使控制力矩陀螺跟踪1Hz给定速度信号时的稳态跟踪误差大幅减少.PID控制器结合插入式重复控制器结构简单,两者可分开独立设计,参数设计容易.     

Inverse free steering law for small satellite attitude control and power tracking with VSCMGs

Recent developments in integrated power and attitude control systems (IPACSs) for small satellite, has opened a new dimension to more complex and demanding space missions. This paper presents a new inverse free steering approach for integrated power and attitude control systems using variable-speed single gimbal control moment gyroscope. The proposed inverse free steering law computes the VSCMG steering commands (gimbal rates and wheel accelerations) such that error signal (difference in command and output) in feedback loop is driven to zero. H_∞ norm optimization approach is employed to synthesize the static matrix elements of steering law for a static state of VSCMG. Later these matrix elements are suitably made dynamic in order for the adaptation. In order to improve the performance of proposed steering law while passing through a singular state of CMG cluster (no torque output), the matrix element of steering law is suitably modified. Therefore, this steering law is capable of escaping internal singularities and using the full momentum capacity of CMG cluster. Finally, two numerical examples for a satellite in a low earth orbit are simulated to test the proposed steering law.     

精密谐波齿轮径向刚度测试与分析

针对精密谐波齿轮存在输出轴扭转刚度不足的问题,为确定径向刚度对输出扭转刚度的影响,分析了二者之间的关系,设计了一种利用精密力传感器测力的谐波齿轮径向载荷加载装置,并结合三坐标测量机构成了精密谐波齿轮径向刚度测试系统.测试结果表明,径向刚度不是输出扭转刚度不足的主要原因.     

柔性支撑控制力矩陀螺动力学建模与控制

针对柔性支撑引起控制力矩陀螺(CMG)框架控制性能下降的问题，建立了柔性支撑条件下控制力矩陀螺的动力学模型，分析了柔性支撑扰动力矩的耦合机理并给出了解析模型.据此，设计了一种积分滑模控制策略，用于提升对CMG框架动力学特性变化和新增扰动力矩的鲁棒性.仿真结果表明，该控制策略相比传统的PID控制具有更好的动态过程和稳态性能，提升了柔性支撑下控制力矩陀螺框架速度的闭环控制性能.     

基于力矩输出能力最优的SGCMG操纵律设计

为使SGCMG系统在有效回避奇异的同时能够较精确地输出期望力矩, 设计了一种基于力矩输出能力最优原理的SGCMG联合操纵律. 根据期望力矩矢量及SGCMG力矩输出的几何关系, 提出了新的系统奇异状态指标, 给出使力矩输出能力最优的框架角速度; 引入优化指标, 使得框架转速误差和输出力矩误差的混合二次型最小, 保证在力矩输出能力达到最优的同时也使得输出力矩误差最小. 采用奇异值分解理论证明了联合操纵律在奇异面处不存在框架锁定现象, 能够有效地逃离奇异, 同时分析了所设计操纵律的力矩输出误差. 以金字塔构型SGCMG系统为例, 对所设计的联合操纵律分别进行了恒定力矩仿真和卫星大角度机动仿真. 仿真结果表明, 联合操纵律能够顺利回避角动量奇异面, 不存在奇异鲁棒操纵律存在的框架锁定现象, 且输出力矩误差较非对角奇异鲁棒操纵律小, 能够顺利完成航天器大角度机动任务.      

2-SGCMGs与磁力矩器的对地姿态混合控制方法

针对故障后仅剩两单框架控制力矩陀螺（SGCMG）可工作的对地定向三轴稳定卫星姿态控制问题进行了研究，提出了2-SGCMGs系统与磁力矩组合的混合控制策略及方法，以克服两SGCMG欠驱动控制的鲁棒性问题。首先，给出2-SGCMGs零动量方式的标称框架角构型选择计算过程。然后，结合标称框架角构型，构造了一种不同于沿传统体轴的新型控制标架，将三维控制力矩指令空间分解为由SGCMG与磁力矩器分别控制执行的两正交子空间，实现对力矩输出特性差异较大的该两类执行机构的控制解耦，进而对不同子空间控制指令给出2-SGCMGs系统框架角速度指令及含磁卸载在内的磁力矩器磁矩指令的求解算法。最后，针对存在外界扰动的卫星对象，由数学仿真验证了所提出策略及方法的有效性，实现了姿态误差小于0.05°且稳定度优于0.0005°/s的控制性能，可满足一般高分辨率对地遥感卫星控制需求。     

基于功耗残差的航天器CMG退化特征提取方法

为实现航天器控制力矩陀螺（CMG）性能退化状态评估，提出了一种基于卷积神经网络（CNN）与功耗残差的CMG退化特征提取方法。由于CMG控制系统对高速转子运动状态的高精准控制，CMG退化特征难以从转子运动状态数据中直接提取。针对该问题，从转子系统的能量损耗角度出发，通过分析CMG工作机理确定了影响单位时间内转子电机功耗的变量，并通过CNN建立了CMG运行状态参数与电机功耗之间的映射。将退化状态下电机实际功耗与模型输出的残差作为退化特征对CMG退化状态进行评价。通过某型号CMG的加速寿命实验数据进行验证，结果表明:构建的退化特征能够表征CMG转子轴承的性能退化情况，从而为CMG状态监测和故障预警提供参考。