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.     

敏捷卫星快速姿态机动方法研究

针对敏捷卫星的三轴大角度机动控制要求,给出了一种基于轨迹规划的敏捷卫星姿态机动方法．根据目标姿态和当前姿态,按照欧拉轴-角方式,沿特征主轴设计了最小路径的机动轨迹,并采用四个单框架控制力矩陀螺（SGCMG）组成的“金字塔”构型的控制力矩陀螺群（CMGs）进行了大角度机动控制的数学仿真,验证了方法的可行性．     

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.     

单框架控制力矩陀螺系统的构型分析和对比研究

根据实际情况限定了大型航天器单框架控制力矩陀螺 (SGCMG)构型分析研究的对象 ;根据构型分析的主要指标 ,对常用的双平行构型、三平行构型、金字塔构型、四棱锥构型、五面锥构型和五棱锥构型等六种构型进行了分析 ,对比了相互的优缺点 ,得出了最优构型为五棱锥构型的结论 ,为大型航天器SGCMG系统选型提供了理论基础     

考虑框架伺服特性时SGCMG系统操纵律设计

在单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统操纵律的设计中,通常假定框架伺服系统具有理想的伺服跟踪性能.然而,框架伺服系统有限的带宽和实际存在的各种扰动力矩都会使其跟踪性能下降.为抑制SGCMG框架伺服特性对操纵性能的影响,设计了一种新型操纵律.该操纵律综合考虑了SGCMG系统运动学和动力学特性,可以根据航天器姿态控制给出的角动量(或力矩)指令,直接计算出每个SGCMG框架驱动系统所需的控制力矩.由于操纵律没有算法奇异,在SGCMG系统不出现运动奇异的情况下,可使操纵误差指数收敛至零.同时,操纵律形式简单,易于实现.应用在航天器上的某4-SGCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的.      

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.      

单框架控制力矩陀螺系统的运动奇异及回避

为满足航天器姿态三轴控制的要求,通常在姿态控制系统中采用3个或以上的单框架控制力矩陀螺(SGCMG).当多个SGCMG协调工作时,系统会出现奇异现象.在研究SGCMG系统的运动奇异机理及零运动的基础上,提出了一种判别奇异状态可回避性的新方法.该方法把对奇异状态可回避性的判别转化为对一组非线性常微分方程的定性研究.以某4-SGCMG系统为例,验证了上述方法的可行性.      

单框架控制力矩陀螺构型分析与奇异可视化

在单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统构型的分析和评价指标中,构型效益和可控效益分别反映了构型角动量包络和奇点在空间中的分布,可在一定程度上反映构型的性能。然而,构型效益不够直观,而可控效益中包含了角动量包络大小的影响。为此,将构型效益归一化,并从可控效益中去除角动量包络的影响,定义了两个新的构型指标--角动量利用率和非奇异率,对构型进行分析和评价。在此基础上,为了直观反映不同构型对奇点分布的影响,引入奇异可视化方法对不同构型下的奇异角动量曲面分布情况进行了对比分析。分析结果表明,SGCMG个数和构型的对称性是影响构型指标和奇异角动量曲面分布的主要因素。     

一种用于SGCMG奇异规避的CVP轨迹规划

采用单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为执行机构的小型敏捷卫星在姿态机动过程中存在着奇异问题.本文从SGCMG姿态控制系统整体出发，将奇异问题转化为状态约束的动态控制问题，基于控制变量参数化(CVP)方法，设计了一种用于SGCMG奇异规避的轨迹规划.该算法在实现小型敏捷卫星大角度姿态机动过程无奇异的基础上，将SGCMG框架角转速的最优轨迹通过CVP方法进行分段线性规划.这种规划策略对框架伺服系统的算法设计无复杂要求，仅需要简单的加减速控制，从而节约了星上资源.在轨迹规划实现过程中，考虑了工程实际中的约束条件，可以按照姿态机动任务要求规划出一条综合考虑能量资源和目标精度的最优轨迹.仿真结果表明：该算法实现了姿态参数轨迹和星体角速度轨迹的平缓变化，目标误差在1×10-3量级，星体在机动过程中运行稳定，SGCMG不会出现奇异现象.     

可变构型的控制力矩陀螺控制方法

针对固定构型的控制力矩陀螺群无法灵活改变其合成角动量包络以适应卫星不同工况的姿态机动需求问题,设计了一种可变构型的控制力矩陀螺群控制方法。建立了可变构型的控制力矩陀螺群的动力学模型;在考虑控制力矩陀螺群框架角速度、高速转子转速以及构型倾角变化速率等多变量下,设计了可变构型的控制力矩陀螺群的操纵律;分析了构型倾角固定和构型倾角可变情形下的控制力矩陀螺群合成角动量包络和奇异状态分布情况。采用可变构型的控制力矩陀螺群进行了卫星多工况姿态敏捷机动控制。数学仿真校验表明,可变构型的控制力矩陀螺控制方法能够实现金字塔构型下不同数目的控制力矩陀螺故障时的卫星三轴敏捷机动控制。     

使用SGCMGs航天器滑模姿态容错控制

基于滑模控制与自适应理论,对使用单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的刚性航天器的被动姿态容错控制问题进行了研究。首先建立了含有陀螺框架转速故障的系统数学模型。然后将框架转速直接作为控制量并应用滑模控制理论设计了容错控制器,同时控制器中还设计了自适应律对故障信息和干扰进行估计。由此,可在故障和干扰的先验信息未知的情况下,实现对航天器无故障和有故障情况下的姿态稳定控制,且具有较强的鲁棒性。最后,对2种构型单框架控制力矩陀螺群的不同故障模式进行数学仿真,验证了该控制方法的有效性和可行性。     

基于混合执行机构的敏捷卫星姿态机动控制

单框架控制力矩陀螺(SGCMGs,single gimbal control moment gyros)的奇异问题是其在使用过程中面临的主要问题.将构型奇异度量作为路径约束,采用高斯伪谱法进行轨迹优化,得到一组无奇异框架角,并以相应的SGCMGs框架转速作为开环指令进行控制.考虑初始姿态偏差及外干扰不确定因素的影响故引入反作用动量轮(RWs,reaction wheels),并基于Lyapunov稳定性设计了RWs的控制律进行闭环修正.仿真结果表明,采用混合执行机构能够保证卫星在外干扰等因素影响下,以最优轨迹的SGCMGs无奇异框架转速指令实现对最优轨迹的跟踪.     

200Nms单框架控制力矩陀螺研制

介绍天宫一号目标飞行器采用的单框架控制力矩陀螺的总体结构、技术指标和验证试验.该单框架控制力矩陀螺的角动量为200Nms,最大可输出力矩为20Nm,响应带宽为2Hz,其中2个控制力矩陀螺高速转子已经进行了25000h的寿命试验.天宫一号目标飞行器姿态控制系统共采用了6个单框架控制力矩陀螺来输出姿态控制力矩,当1个或2个控制力矩陀螺失效时姿态控制系统仍能正常工作.     

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.     

Investigations of an integrated angular velocity measurement and attitude control system for spacecraft using magnetically suspended double-gimbal CMGs

This paper presents an integrated angular velocity measurement and attitude control system of spacecraft using magnetically suspended double-gimbal control moment gyros (MSDGCMGs). The high speed rotor of MSDGCMG is alleviated by a five-degree-of-freedom permanent magnet biased AMB control system. With this special rotor supported manner, the MSDGCMG has the function of attitude rate sensing as well as attitude control. This characteristic provides a new approach to a compact light-weight spacecraft design, which can combine these two functions into a single device. This paper discusses the principles and implementations of AMB-based angular velocity measurement. Spacecraft dynamics with DGMSCMG actuators, including the dynamics of magnetically suspended high-speed rotor, the dynamics of inner gimbal and outer gimbal, as well as the determination method of spacecraft angular velocity are modeled, respectively. The effectiveness of the proposed integrated system is also validated numerically and experimentally.     

基于角动量空间的SGCMGs姿态控制策略

针对单框架控制力矩陀螺（SGCMGs）的奇异问题,旨在建立一种基于角动量空间而非力矩空间的SGCMGs姿态控制策略,从根源上解决SGCMGs的操纵奇异,且不失其敏捷特性.由于此控制方案的动量管理环节需要另外一套动量交换机构参与,故引入反作用飞轮（RWs）组成混合执行机构,同时RWs可在机动末端用于高精度姿态稳定.针对双平行SGCMGs,采用特征轴时间最优路径进行角速度规划,并基于角动量空间设计控制策略.同时,针对一个陀螺失效的情况设计了相似的角动量控制算法.仿真结果表明,采用角动量控制律不涉及奇异问题,且敏捷性与稳定性良好.     

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...