一种开环控制反作用轮转速变化及卸载方法技术

本发明专利技术提供了一种开环控制反作用轮(简称飞轮)转速变化及卸载方法，具体步骤如下：步骤一，采用四个飞轮进行控制，并将第四飞轮的反作用轮控制力矩指令大小调整至与理论标称转速摩擦力矩大小一致；步骤二，将控制器输出控制指令限幅在最大输出力矩，并按照飞轮分配矩阵分配每个飞轮的控制力矩，分配后将输出力矩最大的飞轮限幅在最大力矩，并将其它两个飞轮的控制力矩成比例缩放；步骤三，计算四个飞轮合成角动量，任意轴角动量达到卸载阈值范围内，并符合卸载时磁场强度和角动量夹角关系时，启动磁力矩器卸载；步骤四，选择卸载能力最大的方向上的磁力矩器工作，采用开关控制方式，对飞轮进行卸载。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航天控制
，尤其涉及一种开环控制反作用轮转速变化及卸载方法。
技术介绍
反作用轮是卫星常用执行机构，由于卫星姿态精度要求越来越高，卫星寿命要求也越来越高，因此反作用轮在进行姿态控制时，将其控制在最佳工作转速附近工作，避免转速过零产生干扰影响姿态精度，同时提高寿命。采用4个飞轮进行姿态控制，可将飞轮偏置在标称转速附近形成整星零动量，对于力矩控制模式反作用飞轮在摩擦力矩的作用下转速会下降，当四个反作用轮转速同时下降时，也可以保证姿态稳定和整星零动量，即无法通过姿态闭环反馈的方式保持飞轮转速，因此要保持飞轮在标称转速附近需要对每个飞轮进行摩擦补偿，但由于每个飞轮的摩擦力矩不同，补偿力矩导致飞轮标称转速不同，影响飞轮的姿态控制。另外，空间环境干扰力矩会导致飞轮偏离标称转速，通常通过磁力矩器卸载抵消干扰，确保飞轮工作在标称转速附近。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种开环控制反作用轮转速变化及磁力矩器卸载方法，包括如下步骤：步骤一，采用包括第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮和第四飞轮的四个飞轮进行控制，并将第四飞轮的反作用轮控制力矩指令大小调整至与理论标称转速摩擦力矩大小一致；步骤二，将控制器输出控制指令限幅在最大输出力矩，并按照第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮顺序构成的飞轮分配矩阵分配每个飞轮的控制力矩，分配后将输出力矩最大的飞轮限幅在最大力矩，并将其它两个飞轮的控制力矩成比例缩放，得到三个飞轮控制力矩；步骤三，计算四个反作用轮合成角动量，任意轴角动量达到卸载阈值范围内，并符合卸载时磁场强度和角动量夹角关系时，启动磁力矩器卸载；步骤四，选择卸载能力最大的方向上的磁力矩器工作，采用开关控制方式，对飞轮进行卸载。本专利技术的优点在于，利用开环方式仅对一个飞轮进行摩擦补偿，该飞轮不参与姿态控制，其它三个飞轮进行姿态控制，由于角动量守恒，全部飞轮均保持在标称转速附近。该方法控制简单，通过调整补偿摩擦力矩的大小还可以控制飞轮工作标称转速，使用灵活方便。空间环境干扰力矩产生角动量累积导致飞轮转速偏离标称值，通过磁力矩器卸载可以抵消干扰力矩影响。本专利技术采用内源场作为磁卸载的参考磁场，无需安装磁强计，简化了卫星的硬件配置；同时在充分分析内、外源场的基础上设计卸载控制器的阈值保证卸载控制的正确性；另外采用开关控制方式控制磁力矩器工作，大大简化了驱动控制电路的设计。附图说明附图1是本专利技术具体实施方式中飞轮的卸载判断条件的判断逻辑图；附图2是本专利技术具体实施方式的方案在高轨卫星的应用实施例中卸载策略计算磁力矩器控制指令流程图；附图3是本专利技术具体实施方式的方案在高轨卫星的应用实施例中卫星在轨反作用轮转速曲线图；附图4是本专利技术具体实施方式的方案在高轨卫星的应用实施例中卫星姿态曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术提供的方法的具体实施方式做详细说明。步骤一，采用包括第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮和第四飞轮的四个飞轮进行控制，并将第四飞轮的控制力矩指令大小调整至与理论标称转速摩擦力矩大小一致。本步骤中，根据第四飞轮标称转速得到摩擦力矩Tf4，对其进行摩擦力矩补偿，得到反作用轮控制指令Twc4：Twc4＝-Tf4以及反作用轮力矩控制电压：Uwc4＝Twc4/ki4其中，ki4为第四飞轮力矩系数。在轨时可以根据第四飞轮转速变化增大或减小摩擦力矩，调整飞轮的标称转速范围。步骤二，将控制器输出控制指令限幅在最大输出力矩，并按照第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮顺序构成的飞轮分配矩阵分配每个飞轮的控制力矩，分配后将输出力矩最大的飞轮限幅在最大力矩，并将其它两个飞轮的控制力矩成比例缩放，得到三个飞轮控制力矩。步骤二中，第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮安装矩阵Cu，将反作用轮的安装矩阵Cu求逆，可得到对应的反作用轮分配矩阵CP。首先生成反作用轮控制指令Twc。由反作用轮控制器控制指令Tc，限幅在±0.075Nm(飞轮最大输出力矩)内。Tc=0.075Tc>0.075-0.075Tc<-0.075Tc]]>经过上步求得的分配矩阵CP，可得到用于指令分配的3个飞轮的控制分配指令。Twc3＝CPTc将反作用轮的控制指令Twc中取最大值限制在±0.075Nm以内，Twcmax=0.075Twci(max)>0.075-0.075Twci(max)<-0.075Twci(max)]]>再按照比例缩放计算每个飞轮力矩控制指令，即：Twci＝Twci*Twcmax/Twci(max)反作用轮力矩控制电压：Uwci＝Twci/kii其中，kii为反作用飞轮力矩系数。步骤三，计算四个反作用轮合成角动量，任意轴角动量达到卸载阈值范围内，并符合卸载时磁场强度和角动量夹角关系时，启动磁力矩器卸载。本步骤中，计算四个反作用飞轮合成角动量后，根据角动量大小判断是否需要卸载，判断条件，以其中一轴为例：hx为飞轮合成X轴角动量，卸载判断条件如附图1所示。a.条件：|hi-Hi|≥k1记录：IsDumpi＝onb.条件：IsDumpi＝on且k1＞|hi-Hi|≥k2记录：IsDumpi＝onc.条件：IsDimpi＝off且k1＞|hi-Hi|≥k2记录：IsDimpi＝offd.条件：|hi-Hi|＜k2记录：IsDimpi＝off其中，反作用飞轮的标称角动量Hi，整星零动量飞轮合成标称角动量为0Nms，k1飞轮卸载角动量开阈值，k2飞轮卸载角动量关阈值，IsDumpi,i＝X,Y,Z飞轮卸载状态。并且，在本步骤中，高轨弱磁环境下，内源场的磁场强度已经衰减到一百nT左右，与外源场的磁场强度接近。由于外源场模型复杂，受环境影响大，因此采用内源场计算磁场强度，为了避免外源场的影响，导致卸载力矩反向，和夹角大于45°小于135°，其中和为ΔH和本体系地磁场强度Bb的单位矢量，卸载方向：Mc=Ssgn(b‾×Δh‾)]]>否则，Mc＝0，不进行卸载。步骤四，选择卸载能力最大的方向上磁力矩器工作，采用开关控制方式，对其它的飞轮进行卸载。本步骤中，卫星在三个方向安装磁力矩器，卸载过程中每个磁力矩器都会产生卸载力矩，但是三个轴其作用不一样，其主要作用占60％以上，最小占10％左右，选用起主要作用两个磁力矩器。磁力矩器产生的力矩Tmi在ΔH上投影产生力矩ΔTmi若|Tmi|≠本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开环控制反作用轮转速变化及卸载方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一，采用包括第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮和第四飞轮的四个飞轮进行控制，并将第四飞轮的反作用轮控制力矩指令大小调整至与理论标称转速对应的摩擦力矩一致；步骤二，将控制器输出控制指令限幅在最大输出力矩，并按照第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮顺序构成的飞轮分配矩阵分配每个飞轮的控制力矩，分配后将输出力矩最大的飞轮限幅在最大力矩，并将其它两个飞轮的控制力矩成比例缩放，得到三个飞轮控制力矩；步骤三，计算四个反作用轮合成角动量，任意轴角动量达到卸载阈值范围内，并符合卸载时磁场强度和角动量夹角关系时，启动磁力矩器卸载；步骤四，选择卸载能力最大的方向上的磁力矩器工作，采用开关控制方式，对飞轮进行卸载。

【技术特征摘要】
1.一种开环控制反作用轮转速变化及卸载方法，其特征在于，该方法包括如
下步骤：
步骤一，采用包括第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮和第四飞轮的四个飞轮
进行控制，并将第四飞轮的反作用轮控制力矩指令大小调整至与理论标称
转速对应的摩擦力矩一致；
步骤二，将控制器输出控制指令限幅在最大输出力矩，并按照第一飞轮、
第二飞轮、第三飞轮顺序构成的飞轮分配矩阵分配每个飞轮的控制力矩，
分配后将输出力矩最大的飞轮限幅在最大力矩，并将其它两个飞轮的控制
力矩成比例缩放，得到三个飞轮控制力矩；
步骤三，计算四个反作用轮合成角动量，任意轴角动量达到卸载阈值范围
内，并符合卸载时磁场强度和角动量夹角关系时，启动磁力矩器卸载；
步骤四，选择卸载能力最大的方向上的磁力矩器工作，采用开关控制方式，
对飞轮进行卸载。
2.根据权利要求1所述的开环控制反作用轮转速变化的卸载方法，其特征在
于：
步骤一中，根据第四反作用飞轮标称转速得到摩擦力矩Tf4，对其进行摩擦
力矩补偿，...

【专利技术属性】
技术研发人员：白涛，熊淑杰，武国强，秦贵军，颜艳腾，
申请(专利权)人：上海微小卫星工程中心，
类型：发明
国别省市：上海;31