值一下時，由于觸發(fā)了操縱率設(shè)計(jì)的排液模式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣 量降低，提高了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動速率，使其快速通過臨界控制區(qū)域，避開執(zhí)行機(jī)構(gòu)摩擦非線 性對控制精度的影響。本發(fā)明有效地避免了控制過程中的角速度震蕩，通過穩(wěn)定調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動 慣量，提高小力矩輸出情況下的轉(zhuǎn)速，減小電機(jī)死區(qū)的影響，從而提高了姿態(tài)控制精度。本 發(fā)明在轉(zhuǎn)速降低到規(guī)定值時逐漸改變轉(zhuǎn)動慣量，提高飛輪的轉(zhuǎn)速，使飛輪快速通過死區(qū)，降 低飛輪在死區(qū)運(yùn)動的時間。同時，避免了轉(zhuǎn)動慣量的突變造成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出波動，提高了 高精度高穩(wěn)定度控制過程的穩(wěn)定性。
[0032] 如圖5所示，本發(fā)明航天器高精度姿態(tài)控制的方法實(shí)現(xiàn)過程如下：
[0033] 本發(fā)明的重點(diǎn)在于漸變慣量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的內(nèi)流場建模，漸變慣量操縱系數(shù)設(shè)計(jì)，以 及利用漸變慣量執(zhí)行機(jī)構(gòu)對航天器控制的操縱律設(shè)計(jì)，其他算法屬于常規(guī)算法。
[0034] 第一步，建立飛輪充液腔（43)內(nèi)的各層流面層流附面層方程
[0035]
[0036] \w表示沿飛輪殼（42)腔內(nèi)壁面的流速，假設(shè)附面層內(nèi)的速度分布Vy=f(Rw)是 一個函數(shù)多項(xiàng)式，VLw=aQ+aiRw+a2Rw2+a3Rw3+…，a。，ai，a2,a3…為多項(xiàng)式系數(shù)，VRw表示垂直飛 輪殼（42)腔內(nèi)壁面的流速，Lw表示流動的長度，Rw表示層流面半徑，P表示流體密度，p表 示流速變化引起的壓力差，V表示流體的粘性，根據(jù)附面層的邊界條件，由層流附面層方程 可得，在飛輪殼（42)壁面上滿足無滑移條件，￥1^=0八&=0，在附面層外邊界5處，￥^ = asvLw Vf，且 -0 W * ，：
[0037]第二步，根據(jù)第一步得出的在飛輪殼（42)壁面上VRw= 0，Vh= 0,得到aQ= 0;在 附面層外邊界S處
表示附面層的厚度， Vf表示層流面的流動速度，則附面層內(nèi)的流動速度
[0038]第三步，根據(jù)第二步的流動速度
公式，可以得到附面層內(nèi)流 動速度\w和層流面流動速度vf不同，除附面層外邊界S處Vy=Vf，附面層內(nèi)各處\w〈vf， 即附面層內(nèi)存在流速損失，這是由于附面層內(nèi)由流體粘性產(chǎn)生的剪切應(yīng)力Tw造成的，附面 層內(nèi)由流體粘性產(chǎn)生的剪切應(yīng)力Tw表示為
[0039]
[0040] 由于粘性剪切應(yīng)力的存在，流體在附面層內(nèi)流動時會產(chǎn)生動量損失，為了簡化計(jì) 算，將流速的損失等效為慣量的損失，得到以層流面流動速度Vf為充液腔43等效流速的轉(zhuǎn) 動慣量Iwf，1^與隔柵閥49、充液閥47和排液閥48的工作狀態(tài)相關(guān)，在第五步中介紹；
[0041]第四步，根據(jù)第三步得到等效流速的轉(zhuǎn)動慣量Iwf，計(jì)算飛輪4的角動量hf，0 f表 示腔內(nèi)流體的中心流場繞zw軸的轉(zhuǎn)動角速度，0f與Vf的關(guān)系為Vf=RWPf，由轉(zhuǎn)動角速度 0f與轉(zhuǎn)動慣量I"￡得到飛輪4的角動量hf，hf =Iwf 0 f，建立航天器在執(zhí)行機(jī)構(gòu)慣量變化過 程中的姿態(tài)動力學(xué)方程
：，求出所需的控制力矩T。，其中 I表示航天器的轉(zhuǎn)動慣量，《表示航天器姿態(tài)角速度，X軸，Y軸，Z軸的姿態(tài)角速度分別為 Wx，Wy，
[0042]第五步，考慮電機(jī)的摩擦系數(shù)，建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)低速控制模型，低速工作時減小 摩擦力矩Tf表示為：
0 fsb表示轉(zhuǎn)速的死 區(qū)控制線，l；u、Ts、Tv為摩擦系數(shù)項(xiàng)，為了盡量減小摩檫力矩Tf的影響，設(shè)計(jì)適用于高精度 高穩(wěn)定度控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱》
，G為充液閥和排液閥的開關(guān)系數(shù)， 設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的加減轉(zhuǎn)動慣量開關(guān)操縱律如下
為 了盡量避免轉(zhuǎn)速進(jìn)入非線性區(qū)域，當(dāng)力矩輸出要求降低，轉(zhuǎn)速接近（_0fsb，Pfsb)時，將輪內(nèi) 的液體排空，僅使用固體轉(zhuǎn)子，提高轉(zhuǎn)速，保持力矩輸出的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，0f_S轉(zhuǎn)速門 限值，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速I0fI> 0 ￡_時，飛輪充液，以比較大的慣量實(shí)現(xiàn)大的角動量交換要 求；當(dāng)IPflS^^_時，認(rèn)為航天器進(jìn)入姿態(tài)穩(wěn)定控制階段，飛輪液體排空，減少小角動量 輸出時輪速陷入（_0fsb，Pfsb)區(qū)的可能。漸變慣量飛輪的工作過程包括轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)動 慣量控制兩方面：
[0043] 進(jìn)行轉(zhuǎn)速0f控制時，飛輪電機(jī)3控制飛輪固體轉(zhuǎn)子部分41實(shí)現(xiàn)控制方法要求的 轉(zhuǎn)速0 f;
[0044] 進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量Iwf控制時：
[0045] 0f大于充液臨界值時，控制方法要求通過增加充液腔43內(nèi)液體質(zhì)量使轉(zhuǎn)動慣量 Iwf增加時，充液閥47開啟，軸向?qū)Ч?5和徑向?qū)Ч?4從充液閥47注入飛輪充液腔43,隔 柵閥49根據(jù)注入液體的量由液壓作用開啟，充液腔43內(nèi)液體質(zhì)量增加，使轉(zhuǎn)動慣量]^增 加，達(dá)到要求的U直時，充液閥47關(guān)閉，降低對0f的高速輸出要求，減輕飛輪電機(jī)3負(fù)擔(dān)；
[0046] 控制方法要求不增加充液腔43內(nèi)液體質(zhì)量，但提高轉(zhuǎn)動慣量^寸，保持充液閥47 關(guān)閉、排液閥48關(guān)閉，使隔柵閥49開啟，液體進(jìn)入充液腔43直徑較大的流動槽內(nèi)，，使轉(zhuǎn)動 慣量Iwf增加；
[0047] 要求實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)動慣量^寸，充液閥47、隔柵閥49均全部開啟，使充液腔43充 滿；
[0048] 0f小于排液臨界值時，控制方法要求的轉(zhuǎn)動慣量Iwf減小，則保持充液閥47關(guān)閉， 開啟排液閥48、隔柵閥49,由旋轉(zhuǎn)離心力作用，液體排出充液腔43,轉(zhuǎn)動慣量U咸小，輸出 的要求轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加，快速通過（-0f_，0f_)區(qū)域，減小飛輪電機(jī)3的非線性摩擦力 矩對控制的影響，
[0049]通過調(diào)整轉(zhuǎn)動慣量Iwf和轉(zhuǎn)速0f，得到滿足高穩(wěn)定度要求的控制力矩T。。
[0050] 如圖6所示，使用本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，航天器的姿態(tài)角速度參數(shù)變化曲線更加平 滑，航天器的X軸姿態(tài)角速度cox，Y軸姿態(tài)角速度coy，Z軸姿態(tài)角速度coz，最終收斂精度 提高到了o.oor;同時收斂曲線更平滑，收斂的過程也更穩(wěn)定，提高了高精度高穩(wěn)定度控 制過程的穩(wěn)定性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種漸變慣量充液執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于：包括：固定和安裝整個飛輪結(jié)構(gòu)的真空 容器（1)、飛輪軸承似、飛輪電機(jī)（3)、飛輪（4);飛輪（4)包含固體轉(zhuǎn)子部分（41)、飛輪殼 (42)、充液腔（43)、徑向?qū)Ч埽?4)和軸向?qū)Ч埽?5)、隔柵（46)、充液閥（47)、排液閥（48) 和隔柵閥（49);真空容器（1)固定飛輪軸承（2)、飛輪電機(jī)（3)的位置，飛輪軸承（2)安裝 在飛輪（4)的轉(zhuǎn)軸兩端，起到固定和支撐飛輪（4)的作用；飛輪電機(jī)做與飛輪（4)的轉(zhuǎn)軸 配合，起到傳動轉(zhuǎn)軸的作用；飛輪充液腔（43)內(nèi)充有液體工質(zhì)，通過軸向?qū)Ч埽?5)和徑向 導(dǎo)管（44)從充液閥（47)注入，通過排液閥（48)排空；控制機(jī)構(gòu)（5)對飛輪電機(jī)（3)的轉(zhuǎn) 速和充液腔（43)內(nèi)的液體注入和排空進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制隔柵閥（49)、充液閥（47)和排液閥 (48)的開關(guān)。2. -種利用漸變慣量充液執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行航天器高精度姿態(tài)控制的方法，其特征在于實(shí) 現(xiàn)步驟如下： 第一步，建立飛輪充液腔（43)內(nèi)的各層流面層流附面層方程表示沿飛輪殼（42)腔內(nèi)壁面的流速，假設(shè)附面層內(nèi)的速度分布V^=f巧J是一個 函數(shù)多項(xiàng)式，Vlw=a。+曰爪+曰2斬2+曰3斬3+…，曰。，曰1，曰2,曰3…為多項(xiàng)式系數(shù)，Vrw表示垂直飛輪殼 (42)腔內(nèi)壁面的流速，U表示流動的長度，表示層流面半徑，P表示流體密度，P表示流 速變化引起的壓力差，V表示流體的粘性，根據(jù)附面層的邊界條件，由層流附面層方程可 得，在飛輪殼（42)壁面上滿足無滑移條件，Vk?= 0,V^= 0,在附面層外邊界5處，V^= Vf，且第二步，根據(jù)第一步得出的在飛輪殼（42)壁面上0,V0,得到a。= 0 ;在附面層外邊界5處： 得到 5表示附面層的厚度，Vf ， 表示層流面的流動速度，則附面層內(nèi)的流動速度第=步，根據(jù)第二步的流動速度公式，可W得到附面層內(nèi)流動速 度\。和層流面流動速度Vf不同，V 即附面層內(nèi)存在流速損失，將流速的損失等效為慣 量的損失，得到W層流面流動速度Vf為充液腔（43)等效流速的轉(zhuǎn)動慣量Iw; 第四步，根據(jù)第=步得到等效流速的轉(zhuǎn)動慣量Iw,得到飛輪（4)的角動量hf，hf=IwPf, 0康示腔內(nèi)流體的中心流場繞Z滿的轉(zhuǎn)動角速度，0f與Vf的關(guān)系為Vf=R"0f， 由轉(zhuǎn)動角速度Pf與轉(zhuǎn)動慣量IW建立航天器在執(zhí)行機(jī)構(gòu)慣量變化過程中的姿態(tài)動力學(xué)方 程，得到姿態(tài)變化需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供的控制力矩T。； 第五步，根據(jù)上述姿態(tài)變化需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供的控制力矩T。，考慮電機(jī)的摩擦系數(shù)，建 立執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)低速控制模型，設(shè)計(jì)適用于高精度高穩(wěn)定度控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱律，設(shè)計(jì) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的加減轉(zhuǎn)動慣量開關(guān)操縱律系數(shù)G與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速0f的控制關(guān)系，得到通過 調(diào)整轉(zhuǎn)動慣量Iw和轉(zhuǎn)速0f，得到滿足高穩(wěn)定度要求的控制力矩T。的控制方法： Pf小于排液臨界值時啟動排液閥（48)關(guān)閉充液閥（47)減小機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量； Pf大于充液臨界值時啟動充液閥（47)關(guān)閉排液閥（48)，同時打開隔柵閥（49)，提高 充液腔（城內(nèi)的充液量，使轉(zhuǎn)動慣量Iw增加，達(dá)到要求的IJ直時，充液閥（47)關(guān)閉； 在不繼續(xù)充液的情況下提高轉(zhuǎn)動慣量時，排液閥（48)開啟，液體流向直徑大的流動 槽，使轉(zhuǎn)動慣量Iw增加； 實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)動慣量1>^時，充液閥（47)、隔柵閥（49)均全部開啟，使充液腔（43)充滿； 通過調(diào)整轉(zhuǎn)動慣量Iw和轉(zhuǎn)速0f，得到滿足高穩(wěn)定度要求的控制力矩T。。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種漸變慣量充液執(zhí)行機(jī)構(gòu)及對航天器高精度姿態(tài)控制的方法，其中漸變慣量充液執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：固定和安裝整個飛輪結(jié)構(gòu)的真空容器(1)、飛輪軸承(2)、飛輪電機(jī)(3)、飛輪(4)；控制方法為建立層流附面層方程，計(jì)算附面層內(nèi)的速度分布，建立航天器在執(zhí)行機(jī)構(gòu)慣量變化過程中的姿態(tài)動力學(xué)方程，得到姿態(tài)變化需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供的控制力矩Tc。本發(fā)明提高了姿態(tài)控制過程中，姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行能力，提高輸出力矩覆蓋的范圍，同時降低轉(zhuǎn)動部件高頻轉(zhuǎn)動時由于結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)問題帶來的動不平衡、阻力過大等問題。
【IPC分類】G05D1/08
【公開號】CN105204513
【申請?zhí)枴緾N201510595474
【發(fā)明人】關(guān)宏, 朱琦, 曹榮向, 趙江濤, 姚寧, 呂高見, 蔡建, 王紹凱, 雷擁軍, 劉潔, 李晶心
【申請人】北京控制工程研究所
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年9月17日