文摘
三轴空气轴承试验台semiphysical模拟航天器设备很重要,它可以模拟航天器姿态控制,与高信心会合和对接。当三轴空气轴承表在大角度机动,如果它只是由飞轮控制的,它会引起机动速度慢的问题和高能源消耗,当外部干扰转矩大,控制精度会下降。联合执行机构包括飞轮、空调推进器,和自动平衡装置设计,分层饱和PD控制算法,提高控制精度和抗干扰能力的三轴空气轴承试验台。最后,提出了控制算法的数学模拟,和物理验证进行三轴空气轴承试验台。结果表明,该控制算法具有更高的控制精度比传统的控制算法,控制精度比基本上满足地面模拟在轨卫星的姿态控制要求。
1。介绍
空间技术的不断发展,越来越多的卫星被用于太空执行不同的任务(1]。由于开发成本高、维护成本高,和困难维护进入轨道后,是非常重要的模拟和验证卫星系统在进入太空之前2]。态度的三轴空气轴承试验台由测量系统、控制系统、空气轴承系统,其他系统,可以有效地模拟微重力环境。我们执行高信任度的模拟任务需要执行卫星进入太空后,确保卫星成功地完成了任务。其中,干扰力矩一直是一个重要因素限制使用三轴空气轴承试验台。空气轴承试验台市场上极大地干扰力矩的影响在使用时,许多科研人员只呆在减少干扰力矩经历过空气轴承试验台的使用。由于空气轴承试验台是一种精密仪器,米林水平的干扰力矩影响空气轴承试验台的控制精度。
在使用过程中,地面振动和气流影响等因素会增加干扰转矩和影响使用空气轴承试验台。本研究的目的是使用联合执行机构减少干扰力矩的三轴空气轴承在控制过程中,提高控制精度,高信任度的航天器姿态控制等进行仿真实验。许多科学研究学者已经做了很多研究在空气轴承的干扰力矩测试床,但其中大部分都是限于分析的干扰力矩空气轴承在静态状态下。很少有人研究了空气轴承的干扰力矩试验台的控制过程(3- - - - - -6]。华和郝7)设计了一种结合控制算法为单轴飞轮和喷射机理的物理模拟试验台,进行了仿真测试。仿真结果表明,组合控制可以有效地缩短操作时间,同时保持高精度控制,针对大角度机动的要求和地球观测卫星的高精度控制。
盾(8)提出了一个联合执行机构策略基于推进器和飞轮,和仿真结果满足设计要求。海鹰et al。9)设计了一种结合两种偏置动量轮控制律和飞机。仿真结果表明,两种方法的控制精度提高与传统方案相比,和稳态控制精度 。凌(10)设计了冷空气推进器和反作用飞轮作为小卫星的联合执行机构,实现快速机动的要求和小卫星的高精度跟踪。Saulnier和佩雷斯Dand盖拉多(11)建立了一个基础上空气轴承试验台,实现了自动平衡的空气轴承在静态测试床,但没有考虑到干扰力矩产生的空气轴承试验台的运动。Jisu et al。12)的原理和应用作了详细介绍的全部物理模拟卫星控制系统。麒麟et al。13)进行了理论分析和研究空调的推力five-degree-of-freedom通过设计空调空气轴承推力测试装置,并研究结果提供的选择合适的喷嘴。建立了实验基础,也为后续学者研究奠定了基础推力优化分配方案。Dingjun et al。14)获得的基础设计喷嘴通过研究流场压力之间的关系和马赫数。
最近,科研人员提出了许多新的理论和方法对非线性系统的控制。霍et al。15)提出了一个可行的分散的事件驱动的控制方法的框架下ACD(自适应关键设计)一类约束非线性系统。Chang et al。16)研究了一种自适应神经控制方法对一类随机切换非线性系统与执行机构故障的形式nonstrict反馈。逐步退焊法获得的容错控制技术是为了解决执行机构故障的问题。
王等人。17)设计了一种自适应控制律基于李雅普诺夫函数,自适应控制律的推方法相结合,提出一个observer-based自适应输出反馈跟踪控制方法,可以保证闭环系统所有信号有界的。马等。18)研究了自适应神经容错控制问题,针对一类不确定切换nonfeedback非线性系统未建模动态和无边无际的状态,通过设计一种自适应容错跟踪控制器保证闭环系统所有信号有界在任意切换。熊等。19)提出了一个定量的基于状态反馈控制策略,它可以很容易地扩展到静态输出反馈的情况,有效避免了一些等式约束在现有工作。李等人。20.)设计了一种自适应模糊滑模控制器,并提出了嵌入式1 u立方体卫星姿态控制系统设计和使用三个反作用飞轮作为执行机构的态度。相比与传统proportional-integral-derivative控制器,控制器具有较高的控制精度。他等。21]调查相对耦合控制策略基于滑模控制器实现multiaxis servosynergic比例控制变量的操作系统。元等。22)设计了一种非线性扰动观测器和自适应反推滑模控制器,然后结合这两个设计一个混合控制方案。
三轴的态度执行器空气轴承表由冷空气推进器,反作用飞轮,一个自动平衡系统。大多数的研究国内外学者关注冷空气推进器和反应的组合飞轮,和三个联合执行机构的组合是罕见的。实现快速机动和高精度控制的三轴空气轴承试验台和考虑实时扰动转矩和飞轮饱和的影响,联合执行机构包括飞轮、冷空气推进器,和自动平衡装置设计,分层饱和PD控制算法。最后,仿真软件模型和实际对象的三轴空气轴承试验台是建立模拟和验证算法。
2。控制系统的总体方案三轴空气轴承试验台
三轴空气轴承试验台的控制系统由传感器的态度,态度致动器和集成处理计算机。其中,态度传感器包括一个测斜仪、陀螺仪,和视觉传感器和致动器的态度包括冷空气推进器,反作用飞轮,自动平衡系统。控制系统主要是用于确保三轴稳定的空气轴承试验台,实现指定的行动。
2.1。飞轮系统的设计
主要有两种工作模式的反作用飞轮:速度模式和转矩模式。在速度模式下,实现的命令速度控制器,飞轮输出力矩加速或减速的形式进行精确控制。在转矩模式下,根据给出的命令转矩控制器,飞轮调整电压和电流,使输出电磁转矩等于命令转矩,达到控制的目的。本文的最大速度反应飞轮 和最大输出扭矩 ,这是由速度控制模式。控制信号的传递函数和输出力矩如下(23]:
其中,G(年代)代表控制信号的传递函数和输出转矩的反作用飞轮和速度模式年代代表了频域,
代表内部电机的转矩系数反应的飞轮。飞轮安装在三个垂直的形式,一个倾斜安装。四个反作用飞轮设计的三轴上安装空气轴承试验台。倾斜的飞轮作为备用飞轮提高三轴空气轴承的可靠性试验床。的实际安装飞轮是如图1和2。
2.2。寒冷的空气推力系统设计
冷空气推进器可以提供力矩实现的快速机动三轴空气轴承试验台。在这篇文章中,减少了高压气体在汽缸通过减压阀,并提供的推力减少气体通过拉伐尔喷嘴 。本文首先介绍了PWM波,然后控制电磁阀的开启时间获得所需的扭矩。推进器的开放时间在一个控制周期
其中, 是控制周期, 是所需的时间开关电磁阀的响应,命令的吗冷空气推进器 推力,可以当冷空气推进器提供完全注入。
2.3。动态扰动转矩补偿机制的设计
由于三轴加工精度有限的空气轴承试验台,很难实现完整的平均质量和刚度分布在所有的方向。在实际控制过程中,由于冷空气的不断消耗体积的气瓶空气轴承试验台和外部气流和振动的影响,最初的水平状态被打破,质心偏离旋转的中心。有必要弥补实时动态扰动转矩的旋转中心的空气轴承试验台配合质量中心和偏心 。动态扰动转矩补偿机制设计,即自动平衡装置,由高精度步进电机,质量块,和丝杆,如图3。
首先,根据错误姿态角和右手定则的原则,动态扰动转矩的方向是实时估计;同时,动态扰动转矩的大小通过飞轮的实际输出转矩估计;最后,动态扰动转矩补偿旋转的高精度步进电机和移动质量实时自动平衡装置。目标姿态角 ,但由于动态扰动力矩的影响,空气轴承试验台只能控制在实践中为例。
如图4根据右手法则的原则,积极的方向Y设在较重, 。因此,自动平衡装置Y设在方向选择、高精度步进电机旋转根据控制命令,驱动质量块的移动Y消极的方向沿着螺旋杆,以补偿实时动态干扰力矩。同样的,其他的补偿策略。如果目标姿态角和实际的姿态角 ,姿态角误差 。姿态角误差之间的关系和运动方向的质量如表所示1。
3所示。设计的三轴姿态控制算法空气轴承试验台
3.1。联合执行机构的方案设计
(1)冷空气结合传动装置设计推进器和飞轮:缩短过度控制时间和确保高精度控制,空气轴承的最大角速度测试床是根据错误姿态角自动调整 ,和空气轴承试验台的控制过程分为三个阶段。(我)第一阶段是快速机动阶段;当 ,控制器自动设置的最大角速度空气轴承试验台 ,这是由冷空气控制推进器。(2)第二阶段是接近目标态度阶段;当 ,最大角速度是自动设置 。由于惯性效应,空气轴承的实际角速度测试床慢慢减少。为了避免飞轮力矩饱和,飞轮和冷空气推进器控制同时在这个阶段。(3)第三个阶段是高精度空气轴承试验台的控制阶段,最大角速度是自动设置为0.5度/ s,冷空气推进器的控制精度限制,并通过飞轮进行高精度控制。为了避免飞轮速度饱和的问题在控制过程中,一个方法设计的飞轮卸载冷空气推进器当飞轮速度的绝对值大于或等于和停止卸货时飞轮速度的绝对值小于 。(2)冷空气结合传动装置设计推进器和飞轮:在第一和第二阶段控制的三轴空气轴承试验台,寒冷的空气在气缸的数量减少。在实际控制过程中,它也容易受到外部气流的干扰和振动。的旋转中心空气轴承试验台将从重心有所偏离,这将产生实时的动态干扰转矩和影响反作用飞轮的控制精度。在第三阶段的过程中,根据姿态角误差和右手法则的原则,动态干扰力矩的方向判断,显示和动态干扰转矩估计的实际输出扭矩反应轮,和实时补偿进行自动平衡装置。联合执行机构的工作原理设计了本文图所示5。
3.2。空气轴承试验台的运动学和动力学方程
把相机坐标系的视觉测量系统作为参考系统,当三轴空气轴承试验台是操纵,机体坐标系旋转的空气轴承试验台,空气轴承试验台的操纵角速度可以表示为 ,姿态四元数可以表示为 ,在哪里问是四元数和向量的一部分吗 。 是标量四元数的一部分,和四元数的卫星姿态运动学方程可以获得如下(24]: 在哪里是单位矩阵和反对称矩阵向量:
摘要三轴空气轴承试验台是理想化的刚体模型,及其态度的动态模型可以表示为一个刚体模型(25]: 在哪里是控制转矩,是干扰力矩,是空气轴承的转动惯量试验台。
3.3。寒冷的空气推力分布的建模
在空气轴承的快速机动阶段测试床,冷空气推进器控制执行机构。拯救圆柱体的体积的冷空气,推力分布的伪逆的方法。推力分布的数学模型如下: 在哪里C是控制律的控制指令。D是 维推进器配置矩阵和通用函数 在哪里是所有推进器的推力阵列组成,可以通过结合推力分布的数学模型: 在哪里的伪逆 。以确保 ,最初的解决方案获得的伪逆法分组根据正面和负面的推力: 在哪里负推力和吗是积极的推力;同时,效率矩阵相应的分组(17]: 在哪里是负效率和是积极的效率,和推力的负面组设置为零: 在哪里是一个零矩阵和预期的数量分配后重新分配: 在哪里是最后的修正没有负价值和推力是预期的转矩26- - - - - -29日]。
3.4。分层饱和PD控制律
考虑飞轮饱和等因素有限,分层饱和PD控制算法设计,由空调控制和高精度飞轮。
传统PD控制律的一般形式为三轴空气轴承试验台如下: 在哪里是向量误差四元数和的一部分和控制参数。无限规范饱和函数引入到传统的PD控制律:
通过引入到无限的规范饱和函数,我们可以得到以下结果:
当致动器的最大输出转矩 控制力量的限制条件如下:
因此,关节的PD控制律得到三轴空气轴承试验台的传动装置:
在这里,为了方便设计,我们把单位对角矩阵,和如下(30.]:
因此,(17)可以简化为
最后,根据联合执行机构的设计方案,姿态角误差和命令转矩在判断当前状态,选择和冷空气推进器或飞轮执行命令转矩。
3.5。建模和算法设计的动态扰动力矩补偿机制
三个动态扰动转矩补偿机制,即自动平衡装置,安装在三个坐标轴正交分布的形式。质量块的单位向量的三个坐标系坐标系统的自动平衡装置由空气轴承试验台 , ,和 ,分别。
假设空气轴承试验台的质心偏离中心的旋转在干扰下,这三个质量块的位置向量相对于坐标系坐标系统 并将控制命令 。当重心又恰逢旋转的中心,质量位置矢量。
在这种情况下,三轴的质心空气轴承试验台可以表示为 在哪里的总质量是浮动的一部分空气轴承试验台(包括质量块), , ,质量块的三个自动平衡装置,分别和的质量中心空气轴承试验台没有质量块。当三个质量块移动控制命令下,质心位置的空气轴承试验台
因此,质量移动距离之间的关系和质心运动的空气轴承试验台可以获得:
高精度步进电机的精度 结果,质量块可以移动对于每一个转,所以质量块移动的最小的一步 。匝数之间的关系 ,偏心和质量块移动量步进电机的如下:
如果动态扰动转矩的定义是 ,飞轮的实际输出转矩 和空气轴承试验台的浮动部分的角度相对于水平面 ,然后
因此,动态扰动转矩实际输出转矩估计的飞轮,和倾斜角度的空气轴承试验台测量姿态测量系统的空气轴承试验台。那么古怪可以计算,匝数,高精度电机需要旋转可以计算。
4所示。仿真结果和分析
4.1。模拟的初始值设置和结果
显示控制效果更直观,本文首先建立了控制情况的影响下动态扰动转矩仿真部分,然后实时补偿动态扰动力矩,并比较这两个概念。三轴的惯性矩空气轴承试验台
浮动的质量三轴的一部分空气轴承试验台 ,飞轮的最大输出转矩 ,最大输出扭矩的推进器 ,质量块的质量 ,和控制参数和是1.85。
设置初始姿态角和目标姿态角空气轴承试验台的机动过程中,由于冷空气的不断消耗的圆柱,外部气流,振动,和其他干扰原因,质量中心和旋转中心不再一致,和原来的水准了。
设置空气轴承的干扰力矩试验台 。更直观的比较,Y设在干扰转矩补偿在250年代。更直观的比较,的干扰力矩Y设在补偿在250年代。仿真结果如图6- - - - - -8。
4.2。仿真分析
从仿真结果数据6- - - - - -8可以看出, ,的Y设在姿态角大于错误 ,和在快速机动阶段,空气轴承表进行大角度机动冷空气的作用下推进器。在 ,的Y设在错误姿态角之间和 ,在接近目标的阶段的态度,飞轮和冷空气推进器是共同控制;
在 ,的Y设在错误姿态角之间和 。在高精度控制阶段,飞轮用于高精度控制。然而,由于过度大动态干扰力矩,控制精度的要求更好无法满足。
在此期间,飞轮的速度大于 。冷空气推进器用于卸载飞轮,以确保实际的飞轮的速度总是在预定范围内。在 ,动态扰动力矩补偿。在接下来的来 ,在飞轮的控制,控制精度总是比 。
5。实验和测试结果分析
5.1。实验初始值设置和结果
实验部分的初始值是一样的初始值设定在仿真部分,和空气轴承的旋转的中心表伴随着质心在初始时刻。
目标姿态角命令如图9。的目标姿态角空气轴承试验台将 , , ,和的时期 , , , ,和 。实验测试结果如图10- - - - - -12。
(一)
(b)
(c)
(d)
5.2。实验结果和分析
从实验结果可以看出数据9- - - - - -11的实际姿态角空气轴承试验台是高度一致的目标姿态角。在最初的时候,因为空气轴承的旋转中心测试床的同时,质量中心,控制精度比在 。在 ,目标姿态角 ,并在 ,空气轴承的轴姿态角误差大于测试床 。在快速机动阶段,空气轴承试验台的作用下使大角度机动冷空气推进器。在 ,的Y设在错误姿态角之间和 。在接近目标阶段,态度和飞轮和冷空气推进器共同控制。在 ,的Y设在错误姿态角之间和 ,这是在高精度控制阶段。
然而,由于动态扰动力矩的存在,空气轴承的控制精度表无法比的要求 。此时,根据右手法则,是一个动态的干扰力矩的负方向Y设在,飞轮显示的实际输出转矩动态干扰转矩约为0.015 Nm。
在 ,移动后的质量Y设在自动平衡装置的正方向Y设在,干扰力矩是实时补偿,提高控制精度和比 。之后,根据目标上空气轴承表态度命令在每个周期的时间。可以看出,虽然空气轴承表绕着X设在略,另两个轴略有影响,但控制精度稳定后更好 。
6。结束语
本文是针对三轴在大角度机动时空气轴承试验台;如果仅仅依靠飞轮控制,它将导致控制时间长、能耗高。在控制过程中,由于冷空气消费等因素和外部干扰,原来空气轴承的平整状态表坏了,影响空气轴承试验台的控制精度。本文联合执行机构包括飞轮、推进器、自动平衡装置设计。
空气轴承表的总体控制过程分为三个阶段来缩短整个控制时间和减少能源消耗。干扰转矩的方向是由右手定则判断实时的原理和姿态角误差,动态干扰转矩估计根据飞轮的实际输出转矩,和质量块的自动平衡装置移动实时补偿实时动态干扰力矩,实现三轴空气轴承大角度机动和高精度控制和提高抗干扰能力的空气轴承试验台。
由于时间原因,本文使用分层饱和PD控制算法研究控制算法和并没有在其他控制算法进行了深入研究。计划在未来的研究工作,研究各种先进控制算法由三轴和验证空气轴承试验台。
数据可用性
这项工作得到的仿真数据从MATLAB的Simulink仿真模型,得到了和实验数据的实验测试。
的利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突与提交的工作。