带变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态控制

航天器高精度姿态控制容易受到参数误差的影响,自适应控制能够合理地估计参数,使基于模型的控制器设计易于实现。自适应参数分为主星体惯量、变速控制力矩陀螺框架转子惯量及动摩擦系数3组,按参数分组对带变速控制力矩陀螺的航天器详细动力学模型进行变换,采用Lyapunov方法设计出姿态控制器、变速控制力矩陀螺群操纵律及参数自适应更新律,操纵律中引入加权矩阵以缓解陀螺奇异问题。理论分析和数值仿真表明闭环姿态控制系统全局一致最终有界稳定,参数自适应更新能有效减小角速度跟踪误差,使姿态四元数误差收敛更快。参数估计虽然不能准确收敛到其真值上,但均在可接受的范围内。     

MEMS陀螺随机误差的建模与分析

为了更全面地了解微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺仪的随机漂移误差随时间变化的特性,利用动态Allan方差分析法对MEMS陀螺仪输出信号特性进行了全面分析.首先介绍了Allan方差和动态Allan方差分析法原理,然后分别利用Allan方差分析法和动态Allan方差分析法对MEMS陀螺仪的实测数据进行了特性研究与性能分析.研究结果表明:速率斜坡、量化噪声和速率随机游走是MEMS陀螺的主要随机噪声,并且MEMS陀螺的随机漂移具有随时间变化的不稳定性.动态Allan方差不仅可以分离和辨识出MEMS陀螺的主要随机误差源,而且可以跟踪和描述信号随时间变化的稳定性,因此动态Allan方差较经典Allan方差分析法能够更全面地表征MEMS陀螺仪的性能.     

单模光纤耦合器的传输光谱温度特性

在温变条件下,对光纤光源发出光波经单模光纤耦合器传输后的输出光谱进行了测试.借助测试结果,仿真计算了耦合器的透射光波和耦合光波分别进入Sagnac干涉仪后干涉仪输出信号的误差随温度的变化情况.结果表明:当环境温度发生变化时,耦合器透射光波和耦合光波的平均波长和功率都会发生变化,且透射光波的平均波长和功率的温度稳定性远远高于耦合光波的稳定性;当透射光波作为干涉仪输入光波时,由温变引起的干涉仪输出误差比耦合光波作为输入光波时的误差小一个数量级.     

稳定平台中陀螺漂移自适应实时估计算法

 针对陀螺稳定平台的漂移问题,建立了陀螺稳定跟踪装置在不同工作模式下陀螺漂移的数学模型,指出稳定模式下包含常值漂移和相关漂移的陀螺低频噪声是影响稳定精度的主要原因。提出一种自适应实时估计算法,采用卡尔曼滤波框架和滤波器收敛判据,结合Sage-Husa滤波和加权Sage-Husa滤波算法,利用跟踪器跟踪静止目标时输出的脱靶量信号对陀螺常值漂移和相关漂移进行估计。实验结果表明:该算法能够在系统模型和噪声特性均不准确的情况下使用,收敛时间小于3 s,估计均方差小于0.02 (°)/s,具有良好的鲁棒性和自适应能力。     

基于MEMS陀螺的转台超速保护装置的研制

转台作为一种常用的测试设备,一旦发生失控超速的“飞车”现象,将会带来比较严重的后果。介绍了一种基于MEMS陀螺的转台超速保护装置,指出了转台超速所带来的危害,描述了该保护装置的具体组成及原理,并通过Matlab仿真验证了该装置的可行性。在实践中应用该装置,取得了良好的效果。     

大型磁悬浮CMG转子的组合优化策略

为提高空间站用大型磁悬浮CMG（Control Moment Gyroscope）系统的设计效率,并获得最优设计参数,针对高转速（12000r/min）大角动量（1000N·m·s）磁悬浮转子进行优化设计与分析。提出了一种基于遗传算法(Genetic Algorithm, GA)和序列二次规划算法(Sequential Quadratic Programming, NLPQL)的组合优化策略来优化转子组件。采用ANSYS进行参数化建模,通过ISIGHT软件集成ANSYS实现优化过程。取转子质量和最大等效应力分别最小为优化目标,选择转子轮盘结构尺寸为设计变量,并根据转子运行工况对转子提出包括尺寸、强度、效能等方面约束限制。与GA、NLPQL算法相比组合优化策略的优化结果要优于单纯使用一种全局优化算法或局部优化算法。组合优化策略结果表明转子质量减少了3.92%;安全系数提高了2.69%。实验结果证明了组合优化策略的设计结果。     

光纤惯导角度随机游走误差传播特性研究

角度随机游走是光纤陀螺的一个重要技术指标,也是高精度光纤惯导系统的一项重要误差源。为了深入了解角度随机游走误差对系统精度的影响,从统计角度研究了该误差在导航过程中的传播特性。通过将角度随机游走对系统的影响等效为不相关的随机脉冲序列激励下的系统输出,推导了角度随机游走作用下导航误差的理论公式并进行了仿真验证。结果表明,所给出的理论表达式能够很好地描述角度随机游走误差的传播规律。通过解析表达式,可以在任意时间段对任何一只陀螺角度随机游走造成的系统误差进行定量分析,这对于系统性能评估、误差分析和设计工作都具有重要意义。     

航天器随机振动设计载荷比较

将直接影响航天器结构质量的随机振动载荷等效为准静态的设计载荷,是航天器结构设计分析中的一项重要内容。文章简要介绍了基于加速度峰值响应等效的设计载荷与基于位移峰值响应等效的设计载荷的原理与方法;重点运用解析法与有限元仿真比较了两种方法的差别,分析得出基于加速度的设计载荷要大于基于位移的设计载荷。文章推荐使用基于位移峰值响应等效的设计载荷,该方法将有效减轻结构质量。     

~4He量子干涉仪陀螺的数学模型(英文)

建立了4He量子干涉仪陀螺的数学模型,包括驱动方程,流量方程和位置方程。该数学模型可以完整地描述4He量子干涉仪陀螺系统。由驱动方程可知,采用热驱动的陀螺能够长期工作,但采用压力驱动的陀螺只能短时间工作。由流量方程可知,流过弱连接的超流体流量中,不仅含有表示旋转通量的交流流量,还含有由驱动引起的其他流量。位置方程表达了薄膜的位移,该位移是陀螺系统中唯一能被检测的物理量。基于实验参数的仿真验证了数学模型的有效性。根据本文建立的数学模型,可以进一步研究4He量子干涉仪陀螺的性能和分析该陀螺的误差。     

涨圈密封挤压油膜阻尼器流场与阻尼特性

为研究两端密封型挤压油膜阻尼器流场与阻尼特性,建立了涨圈密封挤压油膜阻尼器三维非定常流场数值仿真模型。基于Fluent软件中的Mixture多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型数值模拟得到动态油膜压力与气相体积分数的周向分布规律。将计算得到的阻尼器油膜压力与文献中的试验数据对比,结果显示:两者具有较高的一致性。由动态油膜力导出的平均等效阻尼系数与试验采用阻抗法识别的结果相比仅有0.6%的偏差,从而验证了该数值模型与预测方法的有效性。进一步的数值计算表明增大进动半径、进动频率、涨圈密封的狭缝宽度均会使挤压油膜阻尼器流场中的空化现象加重,同时等效阻尼系数降低。