平板型电磁作动器优化研究

本文针对卫星隔振系统中的电磁作动器输出力矩精度问题,设计从构型和控制两个方面对其输出精度进行优化。针对单个电磁作动器输出精度进行优化,设计永磁体与主作用线圈的相对位置的构型,确保动子运动过程中,磁场作用下的主作用线圈长度不变,从而提高作动器的输出精度;针对两个电磁作动器加工和安装误差带来的输出力矩不对称的问题,设计力矩补偿函数,确保两个电磁作动器输出力矩相等,从而保证隔振系统的隔振精度。     

一种新颖超磁致伸缩作动器的隔振模型

根据超磁致伸缩材料的本构方程分析了超磁致伸缩作动器输出位移的组成,以此为根据建立了基于超磁致伸缩作动器的单层单自由度隔振平台数学模型.该模型以平台在激振力作用下产生的振动位移为系统干扰输入;根据此模型分析了基于超磁致伸缩作动器的隔振原理;在频域内推导出了系统隔振能力与激振力频率及作动器最大输出位移之间的数学关系,然后在时域内采用自适应LMS(Least Mean Square)算法在Matalb环境下进行仿真.仿真结果与理论分析均表明,隔振平台的隔振能力与激振力频率的平方以及作动器最大输出位移成正比,从而为合理设计隔振平台用超磁致伸缩作动器提供了理论依据.该模型不仅可用于分析基于磁致伸缩作动器的隔振原理,对其它作动器的隔振原理也适用.      

基于奇异值分解的单框架变速控制力矩陀螺角动量管理方法

本文提出一种新的变速控制力矩陀螺(VSCMGs)的角动量管理方法.将VSCMGs的控制力矩(CMGs)模式和飞轮模式分开求解同步输出,对CMGs模式力矩输出进行奇异值分解,只有CMGs模式接近奇异的时候,在奇异方向上的指令力矩才会分配一部分给RWs模式,从而在保证VSCMGs输出精度的情况下尽量充分的利用VSCMGs的执行能力.同时角动量管理算法中还引入零运动来实现转子轮速平衡以及框架构型避奇异,并且考虑了框架角速度死区非线性以及忽略项的补偿问题.仿真结果表明,所设计的操纵律在航天器大角度快速姿态机动时,可以实现高精度的大力矩输出.     

基于奇异值分解的单框架变速控制力矩

摘要： 本文提出一种新的变速控制力矩陀螺（VSCMGs）的角动量管理方法.将VSCMGs的控制力矩(CMGs)模式和飞轮模式分开求解同步输出,对CMGs模式力矩输出进行奇异值分解,只有CMGs模式接近奇异的时候,在奇异方向上的指令力矩才会分配一部分给RWs模式,从而在保证VSCMGs输出精度的情况下尽量充分的利用VSCMGs的执行能力.同时角动量管理算法中还引入零运动来实现转子轮速平衡以及框架构型避奇异,并且考虑了框架角速度死区非线性以及忽略项的补偿问题.仿真结果表明,所设计的操纵律在航天器大角度快速姿态机动时,可以实现高精度的大力矩输出.     

反作用轮主被动隔振器的复合控制研究

反作用轮的微振动会对高精度成像载荷产生不利影响,利用隔振器进行隔振是解决该问题的有效途径.针对基于压电堆的主被动反作用轮隔振器,本文为主动隔振级设计内、外环的复合控制系统.内环采用PI控制器,补偿压电堆轴向位移输出的迟滞非线性;外环采用由解耦器与模型匹配H∞控制器串联而成输出反馈控制器,通过提高闭环系统的阻尼,抑制三个方向的扰动加速度输出;以反作用轮稳速、升速两种工况为例,通过实验验证主动隔振方案的有效性.相比于被动隔振.实验结果表明:当转速为1 500 rpm和3 000 rpm时,扰动输出进一步衰减约20%;升速工况下,三向加速度输出能量密度最大的分量,分别衰减17. 4%、21. 1%和11. 2%.     

控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

提出一种新的空间机器人设计概念,并研究其轨迹跟踪控制问题.系统中的各机械臂以自由球铰连接,在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺（CMGs,Control Moment Gyroscopes）作为控制力矩执行机构.采用改进的罗格里得斯参数（MRPs,Modified Rodrigues Parameters）描述平台和各节机械臂的姿态,利用Kane方程建立了系统的动力学模型.在此基础上,用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律,用以实现卫星平台的位置/姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制.采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异.基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性,以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性.      

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。     

电液复合调节作动器的精确线性化建模与控制

针对经典泵控电液作动器固有频率低的问题,对原系统增加了一个新设计的总压力控制阀,它可保证作动筒两个工作腔的压力之和始终为一常数并使两腔压力可控,从而使泵控系统达到和阀控系统相当的固有频率.这种改进型作动器称为EHCA(Electro-Hydraulic Compound regulating integrated Actuator).针对存在的相乘非线性控制问题,通过分析EHCA和总压力控制阀的工作原理,设计了基于精确线性化方法的滑模控制器,并分析了电机转速和变量泵排量在不同工况下的控制量大小配合问题.分析和仿真证明,该设计思想是有效实现高效率、节能和快响应的电液组合作动器方案.     

基于模糊自抗扰的索网天线容错振动控制研究

针对空间索网天线型面振动控制中部分作动器故障影响天线型面精度的问题，基于天线动力学模型设计一种模糊自抗扰容错控制方法。首先，建立天线型面的振动动力学模型，包括天线振动动力学模型、形状记忆合金作动器动力学模型和作动器故障模型。然后，设计模糊自抗扰控制容错振动控制方法，在作动器未发生故障的情况下，抑制天线型面的振动；在作动器发生故障的情况下，降低故障对天线型面精度的影响，实现容错控制。最后，对设计的容错控制算法进行仿真分析。仿真结果表明，模糊自抗扰容错控制方法不仅在作动器未发生故障时能将型面扰动降低93%,而且将三个作动器故障对型面精度的损失控制在4%。该天线型面振动容错控制方法对作动器故障干扰具有良好的适应性。     

磁力矩器的刚度控制技术及应用

使用磁力矩器控制俯仰轴带有偏置动量的卫星的姿态时,沿地磁场方向的控制力矩无法保证.刚度控制策略利用磁力矩器产生控制力矩,加速动量矩矢量绕轨道法线方向的旋转速度,使进动控制方向更快的与地磁场方向分离,进入进动控制的有利位置.针对运行在太阳同步轨道的偏置动量卫星,推导了加入刚度控制项后,其俯仰轴磁矩的表达式.利用蚁群算法ACA(Ant Colony Algorithm)对磁力矩器控制策略中进动反馈系数,章动反馈系数,刚度反馈系数3个反馈系数及相关的3个系数进行了寻优,利用优化的结果进行仿真实验.通过比较刚度控制策略和经典控制策略的仿真试验结果,证明在长期外部干扰力矩下,采用刚度控制可以改善进动控制效率,提高姿态控制精度.      

单向电永磁作动器结构优化与动态特性分析

针对电磁作动器的使用要求，设计出一种具有能耗低、吸力大及响应快等特点的新型单向电永磁作动器。结合有限元仿真软件，利用有限元法研究作动器的结构参数如铁芯齿形结构、平面结构、无永磁结构、铁芯的倾斜角度及衔铁位移（气隙厚度）等因素对作动器电磁吸力和响应速度的影响。结果表明，电磁吸力随着作动衔铁位移的增加而大幅度减小；倾角结构的铁芯设计能使作动器性能达到最佳，且铁芯的倾斜角度为50°时，电磁吸力有最大值3071N。     

基于能量调节的电动静液作动器设计与仿真

电动静液作动器是功率电传系统的执行机构,在作动器端把电能转化为局部液压能,兼具传统液压系统和直接电力驱动作动器的优点.相比阀控作动器,电动静液作动器的效率和可靠性获得提高,但是带宽和刚度受到限制,因此提出了一种基于能量调节的新型电动静液作动器.能量调节器根据不同的控制响应需求向系统提供附加流量.液压锁用于切换系统工作模式,保持液压缸的输出位置.基于能量调节器的数学方程分析,得出其容积优化原则,并对系统控制策略进行了专门的设计.仿真结果验证了系统响应速度和频宽的改善.     

具有控制时滞的电动加载系统迭代学习复合控制

针对无人机前轮转向操纵系统中机电作动器的负载模拟需要，设计了一种用于复杂交变载荷模拟的电动加载系统。为了降低电动加载系统的控制时滞和多余力矩对系统精度的影响，提出了一种PID控制与迭代学习控制相结合的加载力矩复合控制策略。介绍了电动加载系统的主要组件并给出其数学模型，分析了电动加载系统多余力矩产生的原因，提出了系统控制延时时间的测量方法，设计了基于迭代学习控制与传统PID控制的复合控制器，分析了迭代学习控制器的收敛条件，分别通过多余力矩抑制和动态力矩加载实验验证了控制策略的有效性。与传统的反馈控制加前馈补偿方法相比，所提方法能够消除控制时滞和多余力矩对加载系统的影响，保证电动加载系统的力矩加载精度。      

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.      

基于观测器的平台无陀螺姿态复合控制

针对超静卫星星体平台无陀螺、载荷敏感器与星体平台执行机构非共基准安装时整星存在姿态异位控制问题,提出了一种基于观测器估计星体平台姿态的复合控制方法。首先,建立星体平台/Stewart平台/载荷的动力学模型,并获得Stewart平台作动器关节空间的等效动力学模型。针对关节空间等效模型,设计super twisting观测器,以作动器平动位移为输入,以载荷和星体平台之间的相对姿态和角速度为输出,实现星体平台姿态和角速度估计。其次,以载荷测量姿态信息为输入,设计Stewart作动器的积分滑模控制律,实现载荷高精度指向控制。以观测器估计的星体平台姿态信息为输入,设计星体平台控制器实现星体平台的稳定控制。Lyapunov稳定性分析表明所设计的观测器和控制器能够保证闭环系统渐近稳定。数学仿真结果表明：在星体平台有陀螺时,载荷能够实现0.1″指向精度;在星体平台无陀螺时,采用观测器估计星体平台姿态并进行控制,载荷亦可实现0.1″指向精度。     

飞轮隔振平台组合系统的动力学建模

为分析隔振平台对星上飞轮扰动的衰减效果,研究了飞轮隔振平台组合系统的动力学建模问题.首先推导出含有静动不平衡量的飞轮加隔振平台组合系统的动力学模型.从模型中得出,飞轮和平台之间存在耦合;转子的静动不平衡会体现为飞轮的多项扰动力和扰动力矩.其次,对这些扰动项进行量级分析,并据此简化系统方程.最后利用数值仿真将简化模型与之前的完整模型作对比,验证了此简化模型的合理性;并通过初步的整星系统仿真,说明了隔振系统对航天器姿态稳定度的改善效果.     

基于电磁力与力矩的航天器运动控制的研究进展

电磁力与力矩是一种非接触式的相互作用力与力矩.将通电线圈或磁铁放在磁场中会受到电磁力与力矩的作用.多个通电线圈或磁铁相互作用时，在彼此构成的磁场中也会受到电磁力与力矩的作用.作为一种非接触的力与力矩，电磁力与力矩在航天器的姿态与相对位置控制系统中已有了广泛和深入的应用.本文主要介绍近年来由航天器上电磁装置受到地磁场作用产生电磁力矩在姿态控制中的应用，和带有电磁机构的多航天器间相互作用控制多航天器间相对位姿的应用等.     

主起落架可控变速收放作动器设计与仿真

传统的起落架收放液压系统在使用中缺乏可控性,按照起落架收起时飞机极限过载设计的起落架收放液压作动器在常见的小过载工况下可能产生较大的冲击。提出了一种用于主起落架的可控变速收放作动器的概念设计,使用双向比例节流阀根据过载大小调节阻尼作用。结合起落架收放机构多体模型和收放作动器液压模型,对不同过载工况下主起落架收起的动力学过程进行了仿真分析。与常规设计相比,在一定的设计约束下降低了支柱终止速度、回油压力峰值和结构冲击。研究了变速收放作动器输入压力和进回油油路阻尼相对大小对仿真结果的影响。提出了一种改进的可控变速收放作动器设计,利用惯性力的作用进一步降低了起落架收起时的作动筒载荷峰值和冲击。