专利名称：一种基于动量轮的转动部件干扰补偿方法
技术领域：
本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种基于动量轮的转动部件干扰补偿方法。
背景技术：
随着空间任务要求的不断提高，航天器的结构越来越复杂，而控制性能指标却越来越高。这类航天器往往带有转动部件，如微波散射计、微波辐射计、扫描镜等，部件的转动或运动将引入干扰，如果干扰未经补偿直接作用于航天器平台，将会降低姿态控制系统的稳定度和指向精度，甚至激发挠性附件(如太阳帆板)的振动，使航天器姿态出现震荡，为此需采取措施补偿转动部件产生的干扰。转动部件产生的干扰主要包含3类:1)部件运动设计的规律干扰，如匀速转动、加减速运动等带来的动量变化和干扰力矩；2)部件的静不平衡干扰；3)部件的动不平衡干扰。补偿的必要性主要有两点:一是部件运动造成干扰的频率一般高于姿态控制系统带宽、姿态控制系统无法自主抑制该干扰；二是采取补偿可避免部件运动造成过大干扰进入姿态控制系统、简化控制系统设计和分析。相关文献有:I刘军等，星上转动部件对卫星姿态的影响分析及补偿控制，上海航天，2006年第6期:22 27。文中根据有效载荷的转动运动规律，提出了一种通过设定角动量交换系统标称值条件对卫星进行控制、以及抑制变速转动部件引起卫星本体姿态扰动的前馈控制方案。该方案只是针对转动部件已知的转动运动规律进行干扰补偿控制。2王佐伟等，基于干扰补偿的航天器直接自适应模糊控制，航天控制，25卷(4)，2007:21 25。针对带有活动有效载荷的航天器，研究了一种基于直接型自适应模糊逻辑和干扰补偿的控制方法，将自适应模糊系统直接用作系统的主控制律，利用扩张状态观测器对模糊系统的逼近误差和内外干扰力矩进行观测并予以补偿。3俞洁等，高精度遥感卫星力矩补偿技术，上海航天，2011年第I期:12 17。通过研究载荷运动部件的规律，提出了反馈控制+力矩补偿的方法，给出了力矩补偿的设计。上述方法存在如下不足:干扰补偿技术是基于部件运动设计规律的补偿，而对动不平衡和静不平衡的干扰补偿没有涉及，而且仅是理论研究、没有提及在轨工程实现方法，没有考虑控制周期与补偿周期不一致的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对航天器转动部件干扰的问题，提供了一种基于动量轮的转动部件干扰补偿方法。本发明包括如下技术方案:一种基于动量轮的转动部件干扰补偿方法，包括以下步骤:(I)对所述转动部件进行干扰分析；
(2)确定所述转动部件的干扰补偿函数；
(3)设计基于时间片中断调用的干扰补偿实现方法；(4)将补偿力矩与姿控力矩进行融合；(5)确定将控制电压输出给动量轮I/O 口的方式，从而实现对转动部件干扰补偿。对所述转动部件进行干扰分析通过如下方式进行:根据所述转动部件的安装位置、转动方向、转速大小和动/静不平衡量对所述转动部件进行动力学分析，从而得到该转动部件的干扰表达式。对所述转动部件进行干扰分析还可以通过如下方式进行:将转动部件安装在气浮台上，启动转动部件在标称转速下运行并进行气浮台物理仿真测试，利用陀螺测量气浮台的姿态角速度，将滤波后的姿态角速度进行正弦拟合，根据气浮台转动惯量计算出该转动部件的干扰表达式为
权利要求
1.一种基于动量轮的转动部件干扰补偿方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)对所述转动部件进行干扰分析； (2)确定所述转动部件的干扰补偿函数； (3)设计基于时间片中断调用的干扰补偿实现方法； (4)将补偿力矩与姿控力矩进行融合； (5)确定将控制电压输出给动量轮I/O口的方式，从而实现对转动部件干扰补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于动量轮的转动部件干扰补偿方法，其特征在于:对所述转动部件进行干扰分析通过如下方式进行:根据所述转动部件的安装位置、转动方向、转速大小和动/静不平衡量对所述转动部件进行动力学分析，从而得到该转动部件的干扰表达式。
3.根据权利要求1所述的一种基于动量轮的转动部件干扰补偿方法，其特征在于:对所述转动部件进行干扰分析还可以通过如下方式进行:将转动部件安装在气浮台上，启动转动部件在标称转速下运行并进行气浮台物理仿真测试，利用陀螺测量气浮台的姿态角速度，将滤波后的姿态角速度进行正弦拟合， 根据气浮台转动惯量计算出该转动部件的干扰表达式为
4.根据权利要求1所述的一种基于动量轮的转动部件干扰补偿方法，其特征在于:所述转动部件的干扰补偿函数采用正余弦补偿函数且该补偿函数的相位为Θο+Δ 0，其中9 (I为不考虑时延时的相位，△ 0为执行机构动量轮的时延对应的相位。
5.根据权利要求1所述的一种基于动量轮的转动部件干扰补偿方法，其特征在于:所述设计基于时间片中断调用的干扰补偿实现方法具体为: 结合姿态控制周期、星载控制计算机时间片中断周期、干扰周期，以星载控制计算机时间片中断周期tm为补偿周期，在每个控制周期tc 一次性计算至下个周期期间的η次不同补偿力矩轮控电压序列Vfax1、Vfay1、Vfazi (i=l,…，η),以供计算机中断调用,其中Vfax1、Vfay1、Vfazi为根据干扰力矩补偿函数计算的不同时间段三轴干扰力矩轮控补偿电压，n=tc/tm且n>=lo
6.根据权利要求1所述的一种基于动量轮的转动部件干扰补偿方法，其特征在于:所述将补偿力矩与姿控力矩进行融合具体为: 通过公式Vi=VZDwh.[Vfaxi, Vfayi, Vfazi]τ将补偿力矩与姿控力矩进行融合，形成动量轮控制电压序列，其中Vi (i=l,…，η)为第i次送给动量轮的控制电压序列，Vd为当前控制周期分配给动量轮的姿控电压，Dwh为动量轮电压分配矩阵。
7.根据权利要求1所述的一种基于动量轮的转动部件干扰补偿方法，其特征在于:所述确定将控制电压输出给动量轮I/o 口的方式具体为: 如果控制周期与补偿周期一致，则n=l，在控制周期内直接将动量轮控制电压Vi转换成二进制电压码值输出给动量轮I/O 口；如果控制周期与补偿周期不一致，则η>1，在控制周期内不能直接往动量轮I/O 口写控制电压码值，而是将Vi组合成Vu (η X m)并转换成二进制电压码值Vwt (η X m)，其中Vwt的第零行存放Vu第n-1行换算出来的电压码值Jrat的第一行存放Vu第零行换算出来的电压码值，Vout的第二行存放Vij第一行换算出来的电压码值，依此类推，Vrat的第n-1行存放Vu第n-2行换算出来的 电压码值；在每个控制周期任务开始时刻将Vwt的值赋给变量MwSer，在时间片中断调用轮询函数，轮询函数负责给动量轮I/O 口写控制电压码值:轮询函数根据时间片的序号选择MwSer对应行的数据依次写到动量轮的I/O操作口，时间片的序号为·O，I,…，n-1，对应MwSer行也是O，I,…，n_l，时间片的序号在O到n_l之间按序依次循环，艮P O，…，n_l，O，…，n_l，O，…，n_l，…
全文摘要
一种基于动量轮的转动部件干扰补偿方法，包括以下步骤(1)对所述转动部件进行干扰分析；(2)确定所述转动部件的干扰补偿函数；(3)设计基于时间片中断调用的干扰补偿实现方法；(4)将补偿力矩与姿控力矩进行融合；(5)确定将控制电压输出给动量轮I/O口的方式，从而实现对转动部件干扰补偿。本发明在提高姿态控制精度的同时可以减少喷气推进系统补偿的燃料消耗，同时，本发明补偿方法为结合姿态控制周期和控制计算机时间片中断规律的补偿方法，充分利用了硬件资源，硬件和软件相结合的方式解决了控制周期与补偿周期不一致的问题，实现了在轨实时补偿控制。
文档编号G05B13/04GK103235509SQ20131010876
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者王新民, 袁军, 张俊玲, 王胜刚, 綦艳霞, 姚宁, 程莉, 赵性颂, 周剑敏, 张辉 申请人:北京控制工程研究所