一種零動量輪摩擦抑制與抵消驗證系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種零動量輪摩擦抑制與抵消驗證系統(tǒng)，包括零動量輪、電源、臺載無線傳輸單元、氣浮臺、光纖陀螺儀、實時仿真目標機、遙測遙控終端、可剪裁式控制模塊以及姿態(tài)確定模塊；其中可剪裁式控制模塊由摩擦觀測器和反饋控制器構成；本系統(tǒng)包含一個含有真實零動量輪執(zhí)行機構的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)半物理仿真回路，并能對可剪裁式控制模塊進行驗證，其中可剪裁式控制模塊中的反饋控制器并不固定，可以根據實際系統(tǒng)按需選擇；本發(fā)明具有結構簡單、通訊便捷及操作高效的優(yōu)點，能夠對多種航天器姿態(tài)控制方法進行綜合對比分析，為航空航天領域中的高精度對地觀測、高精度太空望遠鏡等任務提供地面測試及驗證。
【專利說明】一種零動量輪摩擦抑制與抵消驗證系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種零動量輪摩擦抑制與抵消驗證系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在地面模擬帶零動 量輪執(zhí)行機構的航天器在軌時的姿態(tài)控制過程，適用于驗證使用零動量輪的航天器姿態(tài)控 制系統(tǒng)中姿態(tài)控制算法有效性。

【背景技術】
[0002] 隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航天器姿態(tài)控制的精度和穩(wěn)定度的需求越來越高，尤 其是在高分辨率對地觀測，高精度太空望遠鏡等任務中。從20世紀60年代以來，零動量輪 以其結構簡單、工作穩(wěn)定的特點已經作為航天器主要執(zhí)行機構來完成航天器的姿態(tài)控制。 但是，零動量輪由于其自身的固有特性存在摩擦擾動的影響，尤其是在低速情況及轉速過 零情況下尤其嚴重，容易引起航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的失衡，因此對于零動量輪所引起的摩 擦擾動問題已經是目前航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)設計時所需要考慮的主要問題之一。
[0003] 此外航天工程由于具有高風險、高復雜性以及高投入的特點，在設計過程中必須 考慮到投入以及風險。目前主要存在全數字仿真、半物理仿真以及全物理仿真，但是全數字 仿真存在航天器系統(tǒng)所有子模塊全部是數學模型，相對真實器件會存在一定偏差，而全物 理仿真所有的器件均完全按照航天器系統(tǒng)在軌真實環(huán)境進行搭建，成本高且試驗難度大， 因此通過連接部分真實實物的半物理仿真成為最佳選擇。另外目前已有的研究零動量輪摩 擦的半物理仿真系統(tǒng)，部分并沒有使用氣浮臺，僅使用數字模型代替氣浮臺，在精度上無法 完全模擬真實情況；另一類則是每一次試驗都是針對單一控制參數，單一控制方法，無法在 線調參，也無法實時切換不同控制方法進行效果對比，每次驗證后均需要重新停機，修改參 數或者控制算法后再重新啟動，非常繁瑣，浪費大量的經濟成本與時間成本。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種具有結構簡單、控制模 塊可剪裁、測試便捷以及傳輸方便的零動量輪摩擦抑制與抵消驗證系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以 為使用零動量輪作為執(zhí)行機構的航天器提供高精度、高可靠性的姿態(tài)控制算法地面驗證與 測試。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案是：一種零動量輪摩擦抑制與抵消驗證系統(tǒng)，其特征在于 包括：氣浮臺、電源、臺載無線傳輸單元、零動量輪、實時仿真目標機、光纖陀螺、遙測遙控終 端、可剪裁式控制模塊、姿態(tài)確定模塊，其中可剪裁式控制模塊由摩擦觀測器和反饋控制器 構成；所述氣浮臺用于模擬航天器的動力學與運動學；所述電源用于為氣浮臺搭載的零動 量輪、實時仿真目標機以及光纖陀螺提供正常工作的電壓；所述臺載無線傳輸單元用于接 收遙測遙控終端的控制指令，用于調整實時仿真目標機中運行的可剪裁式控制模塊的摩擦 觀測器和反饋控制器參數以及切換不同類型反饋控制器，便于進行不同控制算法控制效果 對比，同時也將實時仿真目標機中的航天器姿態(tài)數據發(fā)送到遙測遙控終端用于數據記錄及 顯示；所述零動量輪用于實時執(zhí)行力矩指令；所述實時仿真目標機用于可剪裁式控制模塊 和姿態(tài)確定模塊的實時仿真；所述光纖陀螺用于測定當前時刻氣浮臺的姿態(tài)角以及姿態(tài)角 速度；光纖陀螺實時感知氣浮臺當前的姿態(tài)角與姿態(tài)角速度，獲取航天器的姿態(tài)信息，將姿 態(tài)信息傳遞給實時仿真目標機中的姿態(tài)確定模塊，并與期望姿態(tài)進行比較，繼而將偏差信 息傳遞給實時仿真目標機中可剪裁式控制模塊，可剪裁式控制模塊進行解算，此后將解算 產生的控制力矩傳遞給零動量輪，零動量輪運轉并驅動氣浮臺進行相應運動，最后氣浮臺 姿態(tài)又被光纖陀螺進行感知，完成一次完整的信息傳遞，構成了完整的航天器姿態(tài)控制回 路；所述的遙測遙控終端包括遙測遙控計算機和遠端無線傳輸單元，用于遠程控制實時仿 真目標機中的可剪裁式控制模塊，用于可剪裁式控制模塊中摩擦觀測器和反饋控制器參數 的修改以及不同類別反饋控制器的切換，并接收和處理實時仿真目標機回傳的姿態(tài)信息；
[0006] 所述的姿態(tài)確定模塊運行在實時仿真目標機中，用于接收當前的氣浮臺姿態(tài)信息 并進行解算，并與期望的姿態(tài)信息進行對比，生成姿態(tài)偏差信息并將其傳遞至實時仿真目 標機中的可剪裁式控制模塊；
[0007] 所述可剪裁式控制模塊運行在實時仿真目標機中，用于接收實時仿真目標機中姿 態(tài)確定模塊傳遞的姿態(tài)偏差信息，經過可剪裁式控制模塊計算后，生成控制指令，并將控制 指令傳遞至零動量輪，控制零動量輪進行運轉，完成航天器系統(tǒng)姿態(tài)控制；
[0008] 所述可剪裁式控制模塊由摩擦觀測器和反饋控制器組成，摩擦觀測器對零動量輪 的摩擦干擾進行估計并補償，反饋控制器完成系統(tǒng)鎮(zhèn)定以及對系統(tǒng)存在的不確定性干擾進 4丁抑制；
[0009] 所述摩擦觀測器對零動量輪的摩擦干擾進行估計并補償，具體實施步驟如下：
[0010] 第一步，建立通用的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)狀態(tài)空間模型
[0011] 針對一般航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)，其狀態(tài)空間具體表征為：
[0012]

【權利要求】
1. 一種零動量輪摩擦抑制與抵消驗證系統(tǒng)，其特征在于包括：氣浮臺、電源、臺載無線 傳輸單元、零動量輪、實時仿真目標機、光纖陀螺、遙測遙控終端、可剪裁式控制模塊、姿態(tài) 確定模塊，其中可剪裁式控制模塊由摩擦觀測器和反饋控制器構成；所述氣浮臺用于模擬 航天器的動力學與運動學；所述電源用于為氣浮臺搭載的零動量輪、實時仿真目標機以及 光纖陀螺提供正常工作的電壓；所述臺載無線傳輸單元用于接收遙測遙控終端的控制指 令，用于調整實時仿真目標機中運行的可剪裁式控制模塊的摩擦觀測器和反饋控制器參數 以及切換不同類型反饋控制器，便于進行不同控制算法控制效果對比，同時也將實時仿真 目標機中的航天器姿態(tài)數據發(fā)送到遙測遙控終端用于數據記錄及顯示；所述零動量輪用于 實時執(zhí)行力矩指令；所述實時仿真目標機用于可剪裁式控制模塊和姿態(tài)確定模塊的實時仿 真；所述光纖陀螺用于測定當前時刻氣浮臺的姿態(tài)角以及姿態(tài)角速度；光纖陀螺實時感知 氣浮臺當前的姿態(tài)角與姿態(tài)角速度，獲取航天器的姿態(tài)信息，將姿態(tài)信息傳遞給實時仿真 目標機中的姿態(tài)確定模塊，并與期望姿態(tài)進行比較，繼而將偏差信息傳遞給實時仿真目標 機中可剪裁式控制模塊，可剪裁式控制模塊進行解算，此后將解算產生的控制力矩傳遞給 零動量輪，零動量輪運轉并驅動氣浮臺進行相應運動，最后氣浮臺姿態(tài)又被光纖陀螺進行 感知，完成一次完整的信息傳遞，構成了完整的航天器姿態(tài)控制回路；所述的遙測遙控終端 包括遙測遙控計算機和遠端無線傳輸單元，用于遠程控制實時仿真目標機中的可剪裁式控 制模塊，用于可剪裁式控制模塊中摩擦觀測器和反饋控制器參數的修改以及不同類別反饋 控制器的切換，并接收和處理實時仿真目標機回傳的姿態(tài)信息； 所述的姿態(tài)確定模塊運行在實時仿真目標機中，用于接收當前的氣浮臺姿態(tài)信息并進 行解算，并與期望的姿態(tài)信息進行對比，生成姿態(tài)偏差信息并將其傳遞至實時仿真目標機 中的可剪裁式控制模塊； 所述可剪裁式控制模塊運行在實時仿真目標機中，用于接收實時仿真目標機中姿態(tài)確 定模塊傳遞的姿態(tài)偏差信息，經過可剪裁式控制模塊計算后，生成控制指令，并將控制指令 傳遞至零動量輪，控制零動量輪進行運轉，完成航天器系統(tǒng)姿態(tài)控制； 所述可剪裁式控制模塊由摩擦觀測器和反饋控制器組成，摩擦觀測器對零動量輪的摩 擦干擾進行估計并補償，反饋控制器完成系統(tǒng)鎮(zhèn)定以及對系統(tǒng)存在的不確定性干擾進行抑 制； 所述摩擦觀測器對零動量輪的摩擦干擾進行估計并補償，具體實施步驟如下： 第一步，建立通用的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)狀態(tài)空間模型 針對一般航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)，其狀態(tài)空間具體表征為：
其中，X(t)為航天器系統(tǒng)的狀態(tài)，A為航天器系統(tǒng)矩陣，B陣為航天器系統(tǒng)的輸入矩 陣，C陣為航天器系統(tǒng)的輸出矩陣，u(t)為可剪裁式控制模塊輸出，d(t)為姿態(tài)控制系統(tǒng)中 存在的無模型的零動量輪摩擦干擾，y(t)為系統(tǒng)的輸出；式中對于無模型的零動量輪摩擦 d(t)表征為：
第二步，設計摩擦觀測器 對于上述無模型零動量輪摩擦干擾，設計摩擦觀測器，對摩擦干擾的估計表征為：
式中L為摩擦觀測器增益，J⑴為零動量輪摩擦干擾的估計值，由于航天器系統(tǒng)的部分 狀態(tài)的導數在真實物理系統(tǒng)中是不可測定，無法獲取，因此將上式轉化為：
定義摩擦觀測器的輔助變量z (t)和p (X)，有：
得到摩擦觀測器，表征如下：
第三步，選取反饋控制器及對應的控制律 在完成干擾估計基礎上，再根據實際對象選取一種反饋控制器，同時選取對應的控制 律為：
其中，^ (t)為所選定的反饋控制器的輸出，從而完成航天器系統(tǒng)的姿態(tài)控制。
2. 根據權利要求1所述的一種零動量輪摩擦抑制與抵消驗證系統(tǒng)，其特征在于：所述 遙測遙控模塊包括遙測遙控計算機與遠端無線傳輸單元，遙測遙控計算機用于實時求取可 剪裁式控制模塊中反饋控制器與摩擦觀測器的增益，并通過遠端無線傳輸單元與臺載無線 傳輸單元實時完成所求控制器增益的傳遞，達到實時修改實時仿真目標機中運行的可剪裁 式控制模塊中反饋控制器與摩擦觀測器增益的目的；此外還可以通過無線傳輸的方式，遠 程遙控實時仿真目標機中運行的可剪裁式控制模塊中不同反饋控制器的切換，能夠在不進 行硬件回路更改，系統(tǒng)不重啟的基礎上，實現多組不同控制算法的驗證分析與對比；此外遙 測遙控計算機還用于接收遠端無線傳輸單元傳遞的姿態(tài)數據，并完成數據的存儲及處理； 所述的遠端無線傳輸單元用于完成與臺載無線傳輸單元的無線通訊，完成遙測遙控計算機 發(fā)送的調參與切換控制指令，同時也用于從臺載無線傳輸單元接收實時仿真目標機中解算 的航天器姿態(tài)數據，并傳遞給遙測遙控計算機。
3. 根據權利要求1所述的一種零動量輪摩擦抑制與抵消驗證系統(tǒng)，其特征在于：所述 的反饋控制器并不固定，可以根據實際任務需求選取反饋控制器，搭配摩擦觀測器構成整 體的可剪裁式控制模塊完成對航天器系統(tǒng)的姿態(tài)控制。
【文檔編號】G05B23/02GK104155969SQ201410363901
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權日:2014年7月28日
【發(fā)明者】郭雷, 張培喜, 喬建忠, 李文碩, 徐建偉 申請人:北京航空航天大學