陀螺飛輪實現航天器姿態(tài)測量與控制的機理分析.pdf

1、陀螺飛輪是一種新型的航天器姿態(tài)控制與測量裝置,它可以同時具備航天器姿態(tài)控制系統中的執(zhí)行器機構控制力矩輸出能力和姿態(tài)敏感器的姿態(tài)測量功能。作為執(zhí)行器,陀螺飛輪可以充當具有三軸力矩輸出能力的變速雙框架控制力矩陀螺,作為敏感器可以充當兩軸姿態(tài)敏感的動力調諧陀螺儀。正是陀螺飛輪將執(zhí)行器和敏感器集于一身的特點,可以顯著降低航天器姿態(tài)控制系統的體積、質量和成本,這對于微小衛(wèi)星的研制有著重要意義。
　　本文首先介紹了陀螺飛輪的機械結構,可以看出

2、其機械組成與傳統的動力調諧陀螺儀十分相似,并論述了該機械結構所帶來的動力調諧問題。在此基礎之上,闡述了陀螺飛輪作為航天器姿控元件的工作機理,并對陀螺飛輪進行了數學建模。其中,在建模部分采用了歐拉動力學和拉格朗日動力學兩種方法:由于歐拉動力學方程中的各力矩項均來自理論分析,因此其物理意義清晰,但是所包含的力矩形式可能還不夠完善;而拉格朗日動力學方法是從能量的角度對物理系統進行的描述,因此可以彌補歐拉動力學模型的不足。然后,在此基礎之上利用

3、SimMechanics多體動力學模型對上述所建立的數學模型進行驗證,并確立了數學模型的正確性。
　　其次,利用所得到的模型對陀螺飛輪的開環(huán)特性進行了研究,分析得到了陀螺飛輪的線性傾側范圍、轉速變化范圍,并運用頻域分析法描述了其開環(huán)特性。通過對非線性時變模型中非線性項的分析,經過必要的簡化確立了工程簡化模型,使其在工作范圍內可代替復雜的非線性模型,為工程應用奠定了基礎。建模是本文的重要研究內容,通過建模我們將陀螺飛輪的物理問題成功

4、的轉化成了數學問題。
　　再次,根據動量矩定理,陀螺飛輪實現力矩輸出的本質是轉子動量矩方向和大小的改變,動量矩方向的變化是通過力矩器中的兩個力矩閉環(huán)實現的,但是由于陀螺飛輪是一個兩輸入兩輸出系統,并且兩通道存在強烈的耦合,因此需要通過恰當的解耦,將模型轉變成兩個單輸入單輸出的系統,并最終進行了變參數控制器的設計;而動量矩大小的控制是利用機電伺服系統中基于相位閉環(huán)策略的PLL鎖相環(huán)方法實現的。而對于陀螺飛輪的測角功能,采用的是動力調

5、諧陀螺儀力平衡原理實現的,所用的測量方程也均來源于所推導的動力學方程,然后論述了分時復用和實時測量兩種方案的可行性。
　　在全文的最后,利用靈敏度的思想分析了影響姿態(tài)控制與測量精度的主要因素,完成了對陀螺飛輪系統的初步優(yōu)化工作。
　　本課題以微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術研究為背景,針對此類航天器對姿態(tài)控制系統小體積,輕重量,小功耗,高精度的要求,通過推導,建立了陀螺飛輪的動力學模型和陀螺飛輪系統的控制與測量模型,并經過計算和仿真的