[發(fā)明專利]一種開環(huán)控制反作用輪轉(zhuǎn)速變化及卸載方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610081918.2
• 申請日: 2016-02-05
• 公開（公告）號: CN105644810B
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 白濤;熊淑杰;武國強(qiáng);秦貴軍;顏艷騰
• 申請（專利權(quán)）人: 上海微小衛(wèi)星工程中心
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24;G05D1/08
• 代理公司: 上海盈盛知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)31294
• 代理人: 孫佳胤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航天控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種開環(huán)控制反作用輪轉(zhuǎn)速變化及卸載方法。

背景技術(shù)

反作用輪是衛(wèi)星常用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于衛(wèi)星姿態(tài)精度要求越來越高，衛(wèi)星壽命要求也越來越高，因此反作用輪在進(jìn)行姿態(tài)控制時(shí)，將其控制在最佳工作轉(zhuǎn)速附近工作，避免轉(zhuǎn)速過零產(chǎn)生干擾影響姿態(tài)精度，同時(shí)提高壽命。

采用4個(gè)飛輪進(jìn)行姿態(tài)控制，可將飛輪偏置在標(biāo)稱轉(zhuǎn)速附近形成整星零動量，對于力矩控制模式反作用飛輪在摩擦力矩的作用下轉(zhuǎn)速會下降，當(dāng)四個(gè)反作用輪轉(zhuǎn)速同時(shí)下降時(shí)，也可以保證姿態(tài)穩(wěn)定和整星零動量，即無法通過姿態(tài)閉環(huán)反饋的方式保持飛輪轉(zhuǎn)速，因此要保持飛輪在標(biāo)稱轉(zhuǎn)速附近需要對每個(gè)飛輪進(jìn)行摩擦補(bǔ)償，但由于每個(gè)飛輪的摩擦力矩不同，補(bǔ)償力矩導(dǎo)致飛輪標(biāo)稱轉(zhuǎn)速不同，影響飛輪的姿態(tài)控制。另外，空間環(huán)境干擾力矩會導(dǎo)致飛輪偏離標(biāo)稱轉(zhuǎn)速，通常通過磁力矩器卸載抵消干擾，確保飛輪工作在標(biāo)稱轉(zhuǎn)速附近。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種開環(huán)控制反作用輪轉(zhuǎn)速變化及磁力矩器卸載方法，包括如下步驟：步驟一，采用包括第一飛輪、第二飛輪、第三飛輪和第四飛輪的四個(gè)飛輪進(jìn)行控制，并將第四飛輪的反作用輪控制力矩指令大小調(diào)整至與理論標(biāo)稱轉(zhuǎn)速摩擦力矩大小一致；步驟二，將控制器輸出控制指令限幅在最大輸出力矩，并按照第一飛輪、第二飛輪、第三飛輪順序構(gòu)成的飛輪分配矩陣分配每個(gè)飛輪的控制力矩，分配后將輸出力矩最大的飛輪限幅在最大力矩，并將其它兩個(gè)飛輪的控制力矩成比例縮放，得到三個(gè)飛輪控制力矩；步驟三，計(jì)算四個(gè)反作用輪合成角動量，任意軸角動量達(dá)到卸載閾值范圍內(nèi)，并符合卸載時(shí)磁場強(qiáng)度和角動量夾角關(guān)系時(shí)，啟動磁力矩器卸載；步驟四，選擇卸載能力最大的方向上的磁力矩器工作，采用開關(guān)控制方式，對飛輪進(jìn)行卸載。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，利用開環(huán)方式僅對一個(gè)飛輪進(jìn)行摩擦補(bǔ)償，該飛輪不參與姿態(tài)控制，其它三個(gè)飛輪進(jìn)行姿態(tài)控制，由于角動量守恒，全部飛輪均保持在標(biāo)稱轉(zhuǎn)速附近。該方法控制簡單，通過調(diào)整補(bǔ)償摩擦力矩的大小還可以控制飛輪工作標(biāo)稱轉(zhuǎn)速，使用靈活方便。

空間環(huán)境干擾力矩產(chǎn)生角動量累積導(dǎo)致飛輪轉(zhuǎn)速偏離標(biāo)稱值，通過磁力矩器卸載可以抵消干擾力矩影響。本發(fā)明采用內(nèi)源場作為磁卸載的參考磁場，無需安裝磁強(qiáng)計(jì)，簡化了衛(wèi)星的硬件配置；同時(shí)在充分分析內(nèi)、外源場的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)卸載控制器的閾值保證卸載控制的正確性；另外采用開關(guān)控制方式控制磁力矩器工作，大大簡化了驅(qū)動控制電路的設(shè)計(jì)。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式中飛輪的卸載判斷條件的判斷邏輯圖；

附圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式的方案在高軌衛(wèi)星的應(yīng)用實(shí)施例中卸載策略計(jì)算磁力矩器控制指令流程圖；

附圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式的方案在高軌衛(wèi)星的應(yīng)用實(shí)施例中衛(wèi)星在軌反作用輪轉(zhuǎn)速曲線圖；

附圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式的方案在高軌衛(wèi)星的應(yīng)用實(shí)施例中衛(wèi)星姿態(tài)曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的方法的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說明。

步驟一，采用包括第一飛輪、第二飛輪、第三飛輪和第四飛輪的四個(gè)飛輪進(jìn)行控制，并將第四飛輪的控制力矩指令大小調(diào)整至與理論標(biāo)稱轉(zhuǎn)速摩擦力矩大小一致。

本步驟中，根據(jù)第四飛輪標(biāo)稱轉(zhuǎn)速得到摩擦力矩T_f4，對其進(jìn)行摩擦力矩補(bǔ)償，得到反作用輪控制指令T_wc4：

T_wc4＝-T_f4

以及反作用輪力矩控制電壓：

U_wc4＝T_wc4/k_i4

其中，k_i4為第四飛輪力矩系數(shù)。

在軌時(shí)可以根據(jù)第四飛輪轉(zhuǎn)速變化增大或減小摩擦力矩，調(diào)整飛輪的標(biāo)稱轉(zhuǎn)速范圍。

步驟二，將控制器輸出控制指令限幅在最大輸出力矩，并按照第一飛輪、第二飛輪、第三飛輪順序構(gòu)成的飛輪分配矩陣分配每個(gè)飛輪的控制力矩，分配后將輸出力矩最大的飛輪限幅在最大力矩，并將其它兩個(gè)飛輪的控制力矩成比例縮放，得到三個(gè)飛輪控制力矩。

步驟二中，第一飛輪、第二飛輪、第三飛輪安裝矩陣C_u，將反作用輪的安裝矩陣C_u求逆，可得到對應(yīng)的反作用輪分配矩陣C_P。

首先生成反作用輪控制指令T_wc。由反作用輪控制器控制指令T_c，限幅在±0.075Nm(飛輪最大輸出力矩)內(nèi)。