磁悬浮反作用飞轮速率模式控制系统设计

针对磁悬浮反作用飞轮干扰力矩对输出力矩精度的影响,提出了一种速率模式数字控制方法,实现了正向加速、正向减速、反向加速、反向减速的四象限高精度稳定的转速跟踪控制,减速时,高速段利用飞轮储存的动能进行能耗制动,低速时进行反接制动,从而实现磁悬浮反作用飞轮速率模式控制.     

轻型高精度卫星的变结构姿态控制器

针对某些小卫星高指向精度和高稳定精度的姿态控制要求,设计了能克服反作用轮转速过零扰动的变结构姿态控制器,并对反作用轮转速过零时低速摩擦对卫星姿态产生扰动的机理进行了分析,建立了仿真用反作用轮低速摩擦动力学模型。同 PID控制器相比,该变结构姿态控制器能有效抑制反作用轮的低速摩擦影响,并具有良好的鲁棒性。数学仿真进一步证明了该变结构姿态控制器的有效性,其指向精度和稳定精度分别可达 0.3°和 0.0 0 1°/     

磁悬浮反作用飞轮剩磁矩分析与补偿方法研究

为对磁悬浮反作用飞轮的剩磁矩(RMM)进行分析及最小化设计,提出一种基于等效磁偶极子模型的剩磁矩计算方法.利用有限元仿真空间磁场分布,通过选取3个特征平面的磁场反推得到剩磁矩.对不同工作状态下飞轮样机剩磁矩的大小及变化范围进行了分析,并在此基础上给出了磁悬浮反作用飞轮剩磁矩优化设计方法及补偿方法.分析结果表明.通过磁轴...     

三浮陀螺仪磁悬浮轴承干扰力矩测控技术

本文根据三浮陀螺仪磁悬浮轴承的结构特点,对造成磁悬浮干扰力矩的主要影响因素进行分析。基于力矩平衡的原理建立磁悬浮干扰力矩的检测装置,通过气浮支承形式实现小干扰、高灵敏度的检测要求,并对检测装置进行初始误差标定,从而提高检测准确度。开展基于磁悬浮轴承干扰力矩检测装置的应用试验,对比因磁悬浮轴承加工几何精度差异造成的干扰力矩影响差异,从而对磁悬浮轴承加工和组装提出新的工艺控制方法,以此有效降低仪表磁悬浮轴承工作干扰力矩,提高零次项漂移精度。     

基于自适应滤波器的磁悬浮控制力矩陀螺内转子振动抑制

磁悬浮控制力矩陀螺(Magnetically Suspended Control Moment Gyroscope,MSCMG)内转子存在的多源高频振动会影响自身稳定性,导致卫星姿态指向精度降低.针对其高频扰动及抑制问题,以所研制的小型立式单框架磁悬浮控制力矩陀螺为研究对象,建立动力学模型并分析了高速磁浮转子的振动特性...     

控制力矩陀螺磁轴承-框架动力学耦合特性仿真研究

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。     

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.     

过驱动轮控卫星的动态控制分配方法

反作用飞轮在卫星姿态控制中具有重要作用,配置3个以上飞轮的卫星构成一类过驱动系统,能够提高姿态控制系统的可靠性.针对期望控制力矩到冗余飞轮的指令分配问题,提出了一种基于伪逆法的动态控制分配方法,并针对传统伪逆法难以考虑飞轮最大力矩等物理约束问题,采用零空间方法对传统伪逆法给出的分配结果进行了修正.基于稳定控制模式下姿态...     

敏捷卫星的联合执行机构控制策略

 针对对地观测敏捷卫星大角度快速机动、高控制精度的任务需求,提出了联合推力器与飞轮作为执行机构的控制策略。该控制策略综合利用2种执行机构的优点:推力器以前馈的形式提供机动过程中所需的主要力矩以实现航天器大角度的快速机动,而飞轮以反馈的形式提供精准的控制力矩以提高机动过程中的姿态控制精度。为补偿由于初始状态偏差和推力器输出力矩不准确所带来的控制误差,采用变结构控制设计了2种姿态跟踪控制器,使航天器能够渐进地跟踪上参考轨迹。并对姿态机动控制过程中,飞轮力矩及转速可能出现的饱和问题作了相应的修正。仿真结果表明了所提控制策略及所设计控制算法的可行性和有效性。     

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。     

Sliding mode control of reaction flywheel-based brushless DC motor with buck converter

Reaction flywheel is a significant actuator for satellites’ attitude control. To improve output torque and rotational speed accuracy for reaction flywheel, this paper reviews the modeling and control approaches of DC-DC converters and presents an application of the variable structure system theory with associated sliding regimes. Firstly, the topology of reaction flywheel is constructed. The small signal linearization process for a buck converter is illustrated. Then, based on the state averaging models and reaching qualification expressed by the Lee derivative, the general results of the sliding mode control (SMC) are analyzed. The analytical equivalent control laws for reaction flywheel are deduced detailedly by selecting various sliding surfaces at electromotion, energy consumption braking, reverse connection braking stages. Finally, numerical and experimental examples are presented for illustrative purposes. The results demonstrate that favorable agreement is established between the simulations and experiments. The proposed control strategy achieves preferable rotational speed regulation, strong rejection of modest disturbances, and high-precision output torque and rotational speed tracking abilities.     

OPTIMAL CONTROL OF BRAKING MOMENT FOR A WHEEL AND TYRE

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机轮制动力矩的变结构控制

 从力学与非线性控制理论综合应用的观点出发，对机轮滑行制动过程中制动力矩的控制问题进行了理论分析与研究，提出了一种新的制动力矩加、卸载解析条件表达式。通过对机轮制动时机轮－地面系统力学模型的动力学仿真，定性地描述了具有此种制动力矩控制方式的防滑制动系统动态特性     

变旋翼转速飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响

为探明变旋翼转速条件下飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响,在变旋翼转速直升机/传动机构/发动机综合仿真平台的基础上,考虑系统不确定因素的存在,提出并设计了增量式非线性动态逆飞行控制器,提高对系统的控制效果,控制器主要包括角速率控制器、姿态角控制器和航迹控制器;由于执行机构的物理限制,引入伪控制模块,以提高系统的稳定性。典型的飞行任务下的仿真结果表明：相对于增量式非线性动态逆飞行控制器而言,伪控制模块不仅可显著提升飞行控制效果,使爬升速度的超调量减小50%以上,还可有效减小动力涡轮转速的超调量9.0%左右,有助于增强发动机的动态控制品质。     

变势能阱双稳态气动弹性能量收集的性能增强研究

提出一种新型的磁耦合变势能阱双稳态压电颤振能量收集器，设计了外部磁场作用下颤振能量收集系统的双稳态构型，并利用弹性支撑的外部磁铁的运动实现了变势能阱技术，解释了变势能阱双稳态对颤振能量收集系统的性能增强机理。建立了磁力-压电-气动弹性耦合的颤振能量收集系统的动力学分析模型，根据非线性磁偶极模型以及平衡点稳定性理论，讨论了系统出现双稳态构型的参数条件。对磁耦合双稳态颤振能量收集系统的动态特性进行了数值仿真研究，结果显示，双稳态构型能够使无磁力颤振能量收集系统的超临界颤振行为转变为亚临界颤振，发生极限环振动的风速能够降低50%以上，拓宽了能量收集器的有效工作风速范围，并分析了磁铁间距、磁偶极矩对能量收集性能的影响规律。采用弹性支撑的外部磁铁的运动来自适应调节内外部磁铁之间的距离，达到变势能阱的目的，有效地降低了双稳态的势能阱深度，使系统更容易发生双稳态势能阱间的跃迁运动，从而在双稳态的设计基础上，实现了能量收集工作风速范围和输出电功率的同步提升，为低风速下的能量收集提供了一种有效的设计途径。     

高速精密轧辊磨头主轴电机SVM-DTC系统的无速度传感器控制

针对一种主轴砂轮线速度在80 m/s以上的高速精密轧辊磨床,以主轴异步电机YVF160L2和逆变器的数学模型为基础,采用空间电压矢量调制(SVM)与直接转矩控制(DTC)相结合的SVMDTC方案,减少轧辊磨头砂轮主轴运行时的转矩脉动;并利用模型参考自适应器建立了速度观测器,实现高速精密轧辊磨头主轴电机无速度传感的闭环控制。仿真结果表明,基于辨识速度的SVMDTC系统能有效改善主轴电机运行时定子磁链和输出轴转矩的波动,控制性能得到明显提升。     

球面磁悬浮万向飞轮转子轮盘优化设计

为实现磁悬浮飞轮的磁路解耦,消除磁轴承相互干扰,提出一种球面磁悬浮万向飞轮转子方案,采用轴向和径向两个球面磁阻式磁轴承控制转子的3个平动自由度,结合洛伦兹力磁轴承实现了磁悬浮飞轮转子五自由度全主动控制、全通道磁路解耦,以精确控制飞轮转子万向偏转,为提升磁悬浮飞轮姿态控制力矩带宽和姿态敏感精度提供了方案支持。根据球面转子结构特性,以质量为优化目标,以一阶共振频率、最大等效应力、刚体位移、极转动惯量、惯量比、质心与形心距离为约束条件,利用多学科优化软件iSIGHT集成ANSYS有限元分析软件,选取序列二次规划算法,对球面转子轮盘进行优化设计。结果表明,在满足设计指标的同时,轮盘质量降低了2.98%,质心与形心的距离大幅降低了1个数量级,仅为12 μm,转子高速旋转时的刚体位移为13.65 μm,有效保证了球面转子在工作时的稳定性和可靠性。     

基于滑模变结构的永磁同步电机精确线性化控制

 永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合系统,从非线性动态数学模型出发,应用精确线性化理论,实现了永磁同步电机系统的输入-输出线性化与解耦。通过线性化模型设计速度跟踪控制律,用指数滑模变结构控制器来设计电流调节器,算法简单实用,提高了速度跟踪的快速性和精确性。仿真和实验结果表明,该控制策略具有理想的动态性能和良好的鲁棒性。     

基于改进型趋近律与负载观测器的永磁同步电机滑模速度控制器设计

为了提高三相永磁同步电机(PMSM)调速系统的动态品质,改善传统滑模速度控制器的控制性能,抑制系统抖振,提高控制精度,设计了基于新型趋近律与负载观测器的改进型滑模速度控制器。利用MATLAB/Simulink仿真软件,搭建控制系统模型并进行仿真分析。仿真验证了所设计的改进型PMSM速度控制器的有效性。该控制器可获得较好的速度跟踪精度和抗负载扰动能力,提高系统的稳定性和鲁棒性。     

基于LMI活塞式发动机恒转速H∞动态输出反馈控制

汽油发动机具有非线性、时变时滞等特点, 传统PID控制方法很难保证发动机整个工作范围内恒转速控制的稳定性及性能要求.采用基于LMI(linear matrix inequality)的输出反馈H∞控制算法, 来实现活塞式汽油发动机的恒转速控制, 使其在负载扰动、工况变化和可变时间延迟的情况下都能保持期望的参考转速.离线仿真结果表明, 所设计的控制器满足小型无人直升机对发动机控制的抗干扰性、跟踪性要求, 并具有一定鲁棒性.