使用VSCMGs的IPACS的奇异性分析与操纵律设计

 研究使用变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)的能量/姿态一体化控制系统(IPACS)的奇异性分析与操纵律设计问题。提出了VSCMGs的CMG奇异与IPACS奇异两种概念。对于给定的CMG奇异方向,采用优化理论得到了在该方向上VSCMGs的转子达到角动量饱和时的转速表达式,并给出了IPACS奇异的充要条件及其证明。分析了考虑星体角速度影响时的实际IPACS的奇异性质。在此基础上为实现合理的动量管理,采用加权矩阵的方法设计了IPACS的操纵律。最后通过算例验证了所得到的IPACS奇异判据的正确性,并通过数值仿真,验证了所设计的操纵律的正确性及其良好的动量管理性能。     

单框架控制力矩陀螺奇异问题研究

 研究单框架控制力矩陀螺群的奇异问题。给出了一种新的奇异度量,并推导出利用该度量的简洁的零运动公式。对于不同的构型,该度量反映了陀螺群Jacobian矩阵求逆运算的误差灵敏度,且具有相同的取值范围,因此在分析各种构型的优劣时具有可比性。上述结论通过数值仿真给出了验证。对常用的行列式形式奇异度量,给出其零运动的清晰公式。基于奇异值分解,给出陀螺群的各类操纵律,证明了奇异方向与分解矩阵的关系,明确框架锁死出现的条件和鲁棒操纵律调控的依据。给出五棱锥构型奇异角动量体的切片图,为角动量体内奇异的出现提供了认识的方法;对失效情况下的五棱锥构型,通过奇异角动量曲面图和具体的切片图,直观地得到其内部形式和特性的显著变化。     

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。     

面齿轮滚磨刀具基蜗杆齿廓奇异点研究

为了实现面齿轮的滚磨齿加工,采用包络原理对面齿轮滚磨齿刀具基蜗杆进行设计,并对基蜗杆齿廓曲面的奇异点进行分析.建立了刀具基蜗杆的包络坐标系,给出了刀具基蜗杆产形面方程,推导了刀具基蜗杆齿廓的曲面方程,利用Catia软件对基蜗杆进行了三维建模;推导了基蜗杆曲面的奇异点方程,给出基蜗杆曲面奇异点的计算方法,进行了基蜗杆曲面奇异点的实例计算;分别分析了基蜗杆半径、插齿刀模数、齿数、压力角对基蜗杆曲面奇异点位置的影响.      

闭式整体叶盘五坐标插铣刀位轨迹规划

针对闭式整体叶盘通道开槽工艺问题,研究了叶盘通道五坐标开槽插铣加工方法。进行了闭式叶盘通道可加工性分析,给出了通道加工区域划分方法;基于最小面积原理研究了叶盘插铣通道边界最佳直母线求解算法,分别针对叶片曲面及叶盘内外环面,提出了通道偏置直纹包络面的生成方法,给出了闭式整体叶盘五坐标插铣刀位轨迹。研究结果表明:该方法能解决闭式整体叶盘通道插铣区域划分和直纹包络面生成问题,可有效实现闭式整体叶盘的五坐标开槽粗加工。     

利用能量/动量飞轮的偏置动量姿态控制系统

研究偏置动量姿态控制系统中的集成能量与姿态控制问题。利用一对正 反转飞轮提供偏置角动量并同时储 /放能以满足星载设备的能源需求。滚动 /偏航运动由俯仰轴磁矩控制。设计了力矩形式的飞轮的控制律 ,使之提供期望的俯仰控制力矩 ,并以给定的功率储 /放能。保持两只飞轮正 反转可以完全避免飞轮控制律中的系统奇异。提出了利用动能反馈的飞轮储能功率规划方案 ,以使系统维持能量平衡 ,避免由于能量过剩引起的飞轮饱和。飞轮的最小转动惯量受最大偏置角动量和最小能量的限制 ,结合几何方法对这种限制条件进行了分析。数值仿真结果证明了控制方案的有效性。     

舵面特性对飞翼构型作战飞机短周期品质的影响

 飞翼构型作战飞机采用无尾翼身融合布局,由于取消了平尾,使其稳定性及阻尼特性下降,需要操纵面具有良好的舵面特性才能保证其获得满意的飞行品质。采用3种不同的短周期飞行品质评定方法,评定小展弦比飞翼构型飞机在不同舵面特性组合情况下的飞行品质,并总结了舵面特性与短周期飞行品质等级间的关系,给出了依据操纵导数和舵面偏转速率大小所划分的品质优劣边界。结果表明,舵面特性变差将导致飞翼构型飞机的短周期飞行品质恶化。研究方法及结果可用于指导此类新布局飞机的初步设计和飞行品质的评定。     

带连续变弯度后缘操纵面机翼的动态失速减缓

主动偏转后缘操纵面可以减小翼型动态失速对气动特性产生的不利影响。研究连续变弯度后缘操纵面在减缓翼型动态失速方面的性能,利用CFD 结合动网格方法,计算NACA 0012 翼型在大幅度俯仰振荡时的非定常气动力;从减缓效果和能量需求两个方面,对比传统刚性操纵面和两种连续变弯度操纵面的动态失速减缓性能。结果表明：当后缘操纵面按正弦脉冲规律偏转时,可以推迟前缘涡的产生,加速后缘涡的发展,降低压力分布在后缘的峰值,进而减小动态失速时翼型的低头力矩极值;后缘操纵面的弯度构型会影响减缓效果,在相同的偏转策略下,弯度描述函数为2 阶多项式的连续变弯度操纵面的减缓效果最好,且能量需求最小。     

多操纵面飞翼构型飞机舵面故障在线诊断方法

舵面故障会影响飞机的操纵性,为实现飞机的控制重构需在线诊断出舵面的故障信息.针对多操纵面飞翼构型飞机,提出了一种在线诊断其舵面故障的方法.飞翼构型飞机舵面故障在线诊断需辨识的操纵导数个数较多,直接使用最小二乘法难以精确辨识得到各操纵导数.基于限定记忆最小二乘法,采用分组辨识法对飞机的操纵导数进行辨识,减少了每次辨识操纵...     

主动侧杆引导下的Ⅱ型驾驶员诱发振荡抑制

现代飞机采用放宽静稳定性构型和侧杆控制器操纵,使得舵面速率饱和引起的驾驶员诱发振荡（PIO）成为影响飞行品质的一个重要因素。针对舵面速率饱和引起的Ⅱ型PIO问题,设计了主动侧杆人感系统,其弹性系数随着舵面偏转速率饱和的发生而改变,从而达到抑制速率饱和的作用。基于主动侧杆引导下的人机闭环系统模型,仿真分析和飞行品质评价验证表明,基于系统误差在线调整人感系统弹性系数,能够降低舵机速率饱和的程度,改善飞行品质,有效抑制舵机速率饱和引起的Ⅱ型PIO。     

A new steering approach for VSCMGs with high precision

A new variable speed control moment gyro (VSCMG) steering law is proposed in order to achieve higher torque precision. The dynamics of VSCMGs is established, and two work modes are then designed according to command torque:control momentum gyro (CMG)/reaction wheel (RW) hybrid mode for the large torque case and RW single mode for the small. When working in the CMG/RW hybrid mode, the steering law deals with the gimbal dead-zone nonlinearity through compensation by RW sub-mode. This is in contrast to the conventional CMG singularity avoidance and wheel speed equalization, as well as the proof of definitely hyperbolic singular property of the CMG sub-mode. When working in the RW single mode, the motion of gimbals will be locked. Both the transition from CMG/RW hybrid mode to RW single mode and the reverse are studied. During the transition, wheel speed equalization and singularity avoidance of both the CMG and RW sub-modes are considered. A steering law for the RWs with locked gimbals is presented. It is shown by simulations that the VSCMGs with this new steering law could reach a better torque precision than the normal CMGs in the case of both large and small torques.     

采用变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态跟踪和稳定控制研究

研究以变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)为主执行机构的卫星功率/姿态一体化控制(IPACS)问题。针对卫星的三轴稳定控制和相对惯性系的姿态跟踪问题分别设计了两类自适应控制器,二者都考虑了执行机构的动力学特性,并进行了稳定性的证明。其中前者采用相对姿态描述,可以避免三轴稳定飞行中因惯性姿态旋转方向的选择而引起的控制力矩突变;后者采用改进的罗得里格斯参数(MRPs)描述姿态,简化了控制器设计过程并避免了运动学奇异。对姿态误差的描述,前者采用小姿态角假设下的偏差形式,后者采用现时姿态与期望姿态之间的方向余弦矩阵,更具有合理性。设计了能够逃离奇异、并具有轮速平衡功能的VSCMGs的操纵律,并应用磁力矩器为VSCMGs进行动量卸载。最后,通过两个算例进行了仿真,验证了所设计系统的可行性和有效性。     

Singularity analysis for single gimbal control moment gyroscope system using space expansion method

Control Moment Gyroscope (CMG) is an effective candidate for agile satellites and large spacecraft attitude control because of its powerful torque amplification capability. The most serious situation, however, in using CMG is the inherent geometric singularity problem, where there’s no torque output along a particular direction. Space expansion method has been proposed in this work for the singularity analysis. Based on inverse mapping transformation, an expanded Jacobian matrix which is a full rank square matrix is obtained. The singular angle sets of the 3-parallel cluster and pyramid cluster are distinguished using space expansion method. An effective hybrid steering strategy, able to deal with the elliptic singularity, is further proposed. Simulation results demonstrate the excellent performance of the proposed steering logic compared to the generalized singular robust logic and pseudo inverse logic in terms of energy consumption and torque error.     

跟踪弹道导弹时预警卫星姿态前馈协同控制

基于角动量守恒定理,推导了跟踪弹道导弹时,具有活动部件的预警卫星姿态前馈协同控制。该控制算法基于角动量守恒方程估计红外相机运动产生的角动量扰动以及为抑制该扰动所需的期望飞轮转速,将期望飞轮转速与实际转速的偏差作为前馈信号加入到传统控制系统中,推导出预警卫星姿态前馈控制模型。最后通过数值仿真验证了控制方法,仿真结果与理论分析具有很好的一致性。并且该控制方法简单、可靠,能够适应卫星在轨实时控制。     

利用飞轮的航天器姿态跟踪与能量存储

研究航天器集成能量与姿态控制系统中飞轮的控制律。系统中飞轮是姿态控制的执行机构,同时也是储能装置。首先利用Lyapunov方法设计了航天器姿态跟踪的反馈控制律,然后研究一种力矩形式的飞轮控制律。利用奇异值分解方法把飞轮组的控制力矩向量分解为3部分相互正交的力矩向量,一部分用来提供姿态控制力矩,一部分用来以给定的功率储能,另一部分完成轮速平衡以避免由于各飞轮轮速差异过大引起的飞轮饱和。提出了一种基于动能反馈的储能功率规划方案来保证系统的能量平衡,可以避免由于过剩能量引起的飞轮饱和。数值仿真结果验证了控制方案的有效性。     

飞航导弹的地形跟踪控制器设计方法研究

根据奇异摄动理论,采用飞航导弹的分层控制方法,将地形跟踪控制系统分成速度、姿态角和角速度三部分,提出了一种利用动态逆滑模控制进行飞航导弹地形跟踪控制器的设计方法,同时充分考虑了导弹系统中的不确定性误差,保证了系统误差收敛。最后以飞航导弹非线性模型进行了6DOF仿真。从仿真结果可以看出,导弹能够准确跟踪地形轮廓飞行,表明所设计的地形跟踪控制器具有较强的鲁棒性和快速跟踪性。