一種動(dòng)量輪低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的力矩測(cè)量方法
【專利摘要】一種動(dòng)量輪低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的力矩測(cè)量方法，根據(jù)歷史及當(dāng)前的動(dòng)量輪轉(zhuǎn)速測(cè)量信息，利用新陳代謝型離散灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的轉(zhuǎn)速值；基于該轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)值與修正的當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量值的差分，計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的力矩測(cè)量值；在新陳代謝型離散灰色預(yù)測(cè)模型的計(jì)算前，利用轉(zhuǎn)速均方差和平均相對(duì)建模誤差自動(dòng)調(diào)整建模數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。本發(fā)明克服了直接利用原始轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行差分求導(dǎo)的弊端，又避免了額外引入動(dòng)量輪控制電壓或電流信息的困難，而力矩測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性卻可有效提高，尤其適用于低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的動(dòng)量輪力矩測(cè)量。
【專利說明】一種動(dòng)量輪低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的力矩測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種動(dòng)量輪低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的力矩測(cè)量方法，適用于航天器控制 系統(tǒng)地面測(cè)試時(shí)的動(dòng)量輪力矩測(cè)量，也可推廣應(yīng)用于其它類似轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的有低轉(zhuǎn)速測(cè)量需 要的場(chǎng)合。

【背景技術(shù)】
[0002] 動(dòng)量輪是航天器上最常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，是實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)閉環(huán)控制的重要環(huán) 節(jié)。其基本原理是，通過調(diào)節(jié)動(dòng)量輪轉(zhuǎn)速，進(jìn)行動(dòng)量輪與航天器本體之間的角動(dòng)量交換，進(jìn) 而實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)轉(zhuǎn)角控制。其本質(zhì)是動(dòng)量輪與航天器本體之間的相互力矩作用。在航天 器控制系統(tǒng)地面測(cè)試中，需要根據(jù)動(dòng)量輪輸出的轉(zhuǎn)速信息，計(jì)算動(dòng)量輪作用于航天器的反 作用力矩，并作為航天器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型的輸入，經(jīng)解算后獲得航天器的姿態(tài)信息。因此， 動(dòng)量輪的力矩測(cè)量是控制系統(tǒng)地面測(cè)試中的一項(xiàng)重要工作。
[0003] 動(dòng)量輪的力矩測(cè)量方式可分為兩大類：
[0004] (1)采用專門的硬件設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，通常是將動(dòng)量輪置于單軸氣浮臺(tái)上，并將氣浮 臺(tái)與力矩器聯(lián)接，基于力矩平衡原理利用力矩器的輸出來測(cè)量動(dòng)量輪的力矩（參考文獻(xiàn)： 邵長(zhǎng)勝，鄧正隆.衛(wèi)星姿控仿真系統(tǒng)中的力矩傳感器.宇航學(xué)報(bào)，2000, 21 (4): 90-94)。這 類方法需要研制專門的硬件設(shè)備，成本昂貴，使用復(fù)雜。
[0005] (2)以轉(zhuǎn)速測(cè)量為基礎(chǔ)的測(cè)量方法，其基本原理是通過轉(zhuǎn)速差分獲得角加速度，再 將角加速度與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相乘即得動(dòng)量輪的反作用力矩。這類方法屬于軟件式測(cè)量方法，實(shí) 現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，基本上不需要增加額外的硬件設(shè)備，因而在控制系統(tǒng)的地面測(cè)試中獲得 了廣泛應(yīng)用。這類方法又可分為3種子類：a)直接利用測(cè)量的角速度信息進(jìn)行差分計(jì)算，由 于轉(zhuǎn)速采集存在時(shí)延和誤差（尤其是低轉(zhuǎn)速時(shí)），這種直接計(jì)算方法存在較大弊端，通常只 在要求不高的場(chǎng)合使用；b)對(duì)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，這種方法雖然可以降低測(cè)量噪聲帶 來的誤差，但卻引入了更多的時(shí)間滯后；c)利用控制電壓或電機(jī)電流等信息、結(jié)合轉(zhuǎn)速信 息，構(gòu)建線性狀態(tài)觀測(cè)器（參考文獻(xiàn)[1]:王炳全，李瀛，楊滌.改善反作用輪低速性能的補(bǔ) 償觀測(cè)器方法.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，1999, 19(4) : 362-367。參考文獻(xiàn)[2]:李連軍，戴金海.反 作用輪低速特性觀測(cè)補(bǔ)償方法.國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005, 27 (1) : 39-43)，其缺點(diǎn)是需要額 外引入動(dòng)量輪的控制電壓或電流信息，而絕大多數(shù)動(dòng)量輪通常都不提供控制電壓或驅(qū)動(dòng)電 流的地面測(cè)量接口；當(dāng)然，控制電壓等測(cè)量信息是可以通過星上遙測(cè)得到的，但受遙測(cè)機(jī)制 的限制，這些遙測(cè)信息有0.5s (快幀）甚至8s以上（慢幀）的時(shí)延，因此是難以直接應(yīng)用 于觀測(cè)器中的。
[0006] 綜上所述，現(xiàn)有的動(dòng)量輪力矩測(cè)量方法都存在一定的局限性。尤其是對(duì)于低轉(zhuǎn)速 (300轉(zhuǎn)/分鐘以下）貧信息（僅能獲得轉(zhuǎn)速脈沖信息）條件下的力矩測(cè)量而言，第二大類 方法（即軟件式測(cè)試方法）效果不佳。主要困難在于，在低轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)量輪的轉(zhuǎn)速測(cè)點(diǎn)很少 (目前工程上使用的動(dòng)量輪測(cè)速方式多為每轉(zhuǎn)出24或36個(gè)脈沖的方式），存在較大的時(shí)延 和測(cè)量誤差，若直接根據(jù)轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行差分求導(dǎo)來計(jì)算反作用力矩，其誤差往往非常大，以 至于無法使用；并且低轉(zhuǎn)速時(shí)尤其是零轉(zhuǎn)速附近摩擦力矩的特性非常復(fù)雜，基于建模的觀 測(cè)器方法也難以取得好效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有以轉(zhuǎn)速測(cè)量為基礎(chǔ)的動(dòng)量輪力矩測(cè)量方法的不 足，提出一種動(dòng)量輪低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的力矩測(cè)量方法，既克服了直接利用原始轉(zhuǎn)速信 息進(jìn)行差分求導(dǎo)的弊端，又避免了額外引入動(dòng)量輪控制電壓或電流信息的困難，有效提高 了力矩測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，尤其適用于低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的動(dòng)量輪力矩測(cè)量。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種動(dòng)量輪低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的力矩測(cè)量方法，其特 征在于步驟如下：
[0009] (1)將動(dòng)量輪轉(zhuǎn)速的歷史測(cè)量值及當(dāng)前k時(shí)刻測(cè)量值按時(shí)間順序排成一個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè) 量值序列，計(jì)算當(dāng)前k時(shí)刻的轉(zhuǎn)速均方差，根據(jù)該均方差和k-Ι時(shí)刻計(jì)算的平均相對(duì)建模誤 差的大小自動(dòng)調(diào)整建模數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，k為大于等于1的整數(shù)。
[0010] (2)根據(jù)步驟（1)獲得的建模數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，構(gòu)建新陳代謝型離散灰色預(yù)測(cè)模型，由該 模型計(jì)算得到動(dòng)量輪轉(zhuǎn)速的一步預(yù)測(cè)值，將該預(yù)測(cè)值與歷史預(yù)測(cè)值按時(shí)間順序排成一個(gè)轉(zhuǎn) 速預(yù)測(cè)值序列。
[0011] (3)根據(jù)步驟（1)得到的轉(zhuǎn)速測(cè)量值序列和步驟（2)得到的轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)值序列，計(jì)算 當(dāng)前k時(shí)刻的平均相對(duì)建模誤差。
[0012] (4)根據(jù)步驟（3)得到的當(dāng)前k時(shí)刻的平均相對(duì)建模誤差決定當(dāng)前時(shí)刻的力矩計(jì) 算模型，根據(jù)該模型計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的力矩。
[0013] (5)將步驟（3)得到的平均相對(duì)建模誤差返回到步驟（1)。
[0014] 所述的步驟（1)中自動(dòng)調(diào)整建模數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的方法如下：
[0015] (1)初始時(shí)令建模數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N為區(qū)間[5, 15]中的某一個(gè)值；
[0016] (2)根據(jù)當(dāng)前k時(shí)刻及前溯N-1個(gè)時(shí)刻的共N個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量值按時(shí)間順序排成轉(zhuǎn)速 測(cè)量值序列ωΜ+1，…，c〇k，計(jì)算當(dāng)前k時(shí)刻轉(zhuǎn)速均方差〇k，計(jì)算公式如下：
[0017]

【權(quán)利要求】
1. 一種動(dòng)量輪低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的力矩測(cè)量方法，其特征在于包括步驟如下： (1) 將動(dòng)量輪轉(zhuǎn)速的歷史測(cè)量值及當(dāng)前k時(shí)刻測(cè)量值按時(shí)間順序排成一個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量值 序列，計(jì)算當(dāng)前k時(shí)刻的轉(zhuǎn)速均方差，根據(jù)該均方差和k-1時(shí)刻計(jì)算的平均相對(duì)建模誤差的 大小自動(dòng)調(diào)整建模數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，k為大于等于1的整數(shù)； (2) 根據(jù)步驟（1)獲得的建模數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，構(gòu)建新陳代謝型離散灰色預(yù)測(cè)模型，由該模型 計(jì)算得到動(dòng)量輪轉(zhuǎn)速的一步預(yù)測(cè)值，將該預(yù)測(cè)值與歷史預(yù)測(cè)值按時(shí)間順序排成一個(gè)轉(zhuǎn)速預(yù) 測(cè)值序列； (3) 根據(jù)步驟⑴得到的轉(zhuǎn)速測(cè)量值序列和步驟（2)得到的轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)值序列，計(jì)算當(dāng)前 k時(shí)刻的平均相對(duì)建模誤差； (4) 根據(jù)步驟（3)得到的當(dāng)前k時(shí)刻的平均相對(duì)建模誤差決定當(dāng)前時(shí)刻的力矩計(jì)算模 型，根據(jù)該模型計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的力矩； (5) 將步驟（3)得到的平均相對(duì)建模誤差返回到步驟（1)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)量輪低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的力矩測(cè)量方法，其特征在 于：所述的步驟（1)中自動(dòng)調(diào)整建模數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的方法如下： (1) 初始時(shí)令建模數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N為區(qū)間[5, 15]中的某一個(gè)值； (2) 根據(jù)當(dāng)前k時(shí)刻及前溯N-1個(gè)時(shí)刻的共N個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量值按時(shí)間順序排成轉(zhuǎn)速測(cè)量 值序列ωΜ+1，…，c〇 k，計(jì)算當(dāng)前k時(shí)刻轉(zhuǎn)速均方差〇k，計(jì)算公式如下：
⑴ 其中，j是中間臨時(shí)變量，取值為k-N+1，k-N+2,…，k ; 是j時(shí)刻的轉(zhuǎn)速測(cè)量值；勿為 均值，其計(jì)算公式如下：
(2) (3) 將當(dāng)前k時(shí)刻轉(zhuǎn)速均方差以及前溯N-1個(gè)時(shí)刻的轉(zhuǎn)速均方差按時(shí)間順序排成一個(gè) 序列〇k_N+1，…， 〇k，計(jì)算該序列中的最大值〇max; (4) 用下述公式調(diào)整建模數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N :
(3) 式中，符號(hào)表示將右邊的值賦給左邊；Nd為調(diào)整量基值，默認(rèn)取5 ;c為加權(quán)系數(shù)，默 認(rèn)取0. 5 ; Λ η為上一步k-Ι時(shí)刻的平均相對(duì)建模誤差，初始時(shí)取0 ;
為平均相對(duì)建模 誤差序列中的最大值；int()為取整函數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)量輪低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的力矩測(cè)量方法，其特征在 于：所述的步驟（2)的新陳代謝型離散灰色預(yù)測(cè)模型的計(jì)算過程如下： (1)將轉(zhuǎn)速測(cè)量值序列記為
，計(jì)算該序列對(duì)應(yīng)的一次累加生成序 列
，該序列中每個(gè)元素411的計(jì)算公式如下： (4) (2) 根據(jù)步驟（1)中的一次累加生成序列，記一次累加值向量
記一次累加值歷史矩陣
記待求的系數(shù)向量
，其中βρ β2、03為3個(gè)待求系數(shù)，由如下公式計(jì)算系數(shù)向量：
(5) (3) 根據(jù)公式（5)得到的3個(gè)系數(shù)βρ β2、β3，計(jì)算新陳代謝型離散灰色預(yù)測(cè)模型的 k+Ι時(shí)刻一次累加預(yù)測(cè)值
(6) (4) 對(duì)k+l時(shí)刻一次累加預(yù)測(cè)值做還原計(jì)算，得到k+l時(shí)刻的轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)值％+1:
(7)
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)量輪低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的力矩測(cè)量方法，其特征在 于：所述的步驟（3)的平均相對(duì)建模誤差A(yù)k計(jì)算方法如下：
(8) 式中，
為j時(shí)刻的轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)值； 當(dāng)前k時(shí)刻的平均相對(duì)建模誤差A(yù)k將用于下一步k+Ι時(shí)刻的公式（3)的計(jì)算中，以 自動(dòng)調(diào)整k+Ι時(shí)刻的建模數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)量輪低轉(zhuǎn)速貧信息條件下的力矩測(cè)量方法，其特征在 于：所述的步驟（4)的力矩計(jì)算方法如下： 當(dāng)Λ k < D，新陳代謝型離散灰色預(yù)測(cè)模型可用，采用基于新陳代謝型離散灰色預(yù)測(cè)模 型的力矩計(jì)算公式：
(9) 其中D為平均相對(duì)建模誤差預(yù)設(shè)檻值，D的取值范圍為[2, 5]轉(zhuǎn)/分鐘；
為k時(shí)刻 的轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)值； 當(dāng)Λ k>D，新陳代謝型離散灰色預(yù)測(cè)模型不可用，采用基于k時(shí)刻轉(zhuǎn)速測(cè)量值修正的非 預(yù)測(cè)型力矩計(jì)算公式： (10) 其中，J為動(dòng)量輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，S t為計(jì)算步長(zhǎng)，
為k-i時(shí)刻的轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)值。
【文檔編號(hào)】G01L5/00GK104062054SQ201410256770
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】王佐偉, 楊帆, 蔡君亮, 劉江, 吳小明 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所