X构型储能式变速控制力矩陀螺机构及其控制方法与流程

本发明涉及一种用于振动能量一体化控制的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构及其控制方法，尤其涉及一种用于柔性航天器振动能量一体化控制的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构及其控制方法，属于航空航天技术领域。

背景技术：

随着航天任务精度和能力要求的提高，航天器的太阳帆板和天线尺寸已经由十米量级向百米量级发展，系统成为大尺度柔性航天器。大尺度柔性航天器中的柔性结构为系统主体，控制量必须分布式施加在柔性结构上，才能实现高精度主动控制以满足任务要求。在柔性结构上分布角动量，能够施加分布式模态力实现结构振动抑制。然而，在柔性结构分布角动量交换装置会增加系统质量和惯性，这与柔性航天器的轻量化设计目标相冲突。一方面，可以使用具有更小尺寸、更轻质量的角动量交换装置。另一方面，可以充分利用角动量交换装置，使其具有更多的功能，从而减少其他子系统的质量。基于分布式角动量的柔性结构振动/能量一体化控制，可以充分利用角动量交换装置中高速旋转的飞轮，利用飞轮进行能量存储，使得储能系统和振动抑制系统集成为一个系统。这种方案可以减少储能系统的重量，从而减小分布式角动量交换装置对整个系统的质量和惯量的影响。

飞轮在储放能的过程中会施加扰动力矩作用于柔性结构上，因此需要设计专门控制算法消除这种扰动力矩，而这种算法是以角动量交换装置中飞轮轮速不平衡为代价；除此之外，利用单框架控制力矩陀螺进行柔性结构振动能量一体化控制，还存在输出力矩方向不恒定等问题。飞轮轮速不平衡会使得各飞轮转速差过大，出现一部分飞轮已经或接近饱和，而另一部分飞轮还远离饱和的情形，长期转速不均会带来硬件寿命差异，从而影响硬件整体寿命；输出力矩方向不恒定会降低振动抑制的作用效果，从而影响系统性能。要解决飞轮轮速不平衡和输出力矩方向不恒定问题，需要设计专门的控制算法，这增加了控制系统设计难度。因此需要一种便于控制系统设计的角动量交换装置机构来克服上述缺点。

技术实现要素：

本发明公开的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构及其控制方法要解决的技术解决问题是：提供一种用于柔性航天器振动能量一体化控制的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构及控制方法，所述的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构，无需专门轮速平衡控制算法，仅需简单控制指令即能够实现柔性航天器振动能量一体化控制同时，并实现飞轮轮速平衡，进而不会因长期转速不均匀带来硬件寿命差异，提高硬件整体寿命；所述的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构能够维持机构输出力矩在恒定方向，提高系统控制性能。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构，主要由真空室、封闭式外框架、立柱、和四个呈x构型分布的储能式变速控制力矩陀螺构成。四个呈x构型分布的储能式变速控制力矩陀螺分成两对，两两成对安装。储能式变速控制力矩陀螺之间的夹角范围为0～180°。四个储能式变速控制力矩陀螺完全相同，均主要由储能飞轮、用于驱动飞轮的可逆式电动/发电机、内框架、内框架驱动电机组成。储能式变速控制力矩陀螺一端通过轴承与封闭式外框架封闭式外框架，另一端通过轴承与立柱连接。为了便于描述，沿顺时针方向将四个呈x构型分布的储能式变速控制力矩陀螺定义为第一储能式变速控制力矩陀螺、第二储能式变速控制力矩陀螺、第三储能式变速控制力矩陀螺、第四储能式变速控制力矩陀螺；对应的内框架定义为第一框架、第二框架、第三框架、第四框架；对应的储能飞轮定义为第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮、第四飞轮。飞轮旋转定义方向为：第二飞轮和第四飞轮由立柱向外转、第一飞轮和第三飞轮由外向立柱转；或第二飞轮和第四飞轮由外向立柱转、第一飞轮和第三飞轮由立柱向外转。

当x构型储能式变速控制力矩陀螺机构进行储能或放能时，四个储能飞轮以相同的加速度同时加速或减速，储能飞轮角速度所产生的力矩相互抵消，即能够在储能飞轮不输出扰动力矩的同时，实现储能飞轮轮速平衡，进而不会因长期转速不均匀带来硬件寿命差异，提高硬件整体寿命；当x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中左右两侧的变速控制力矩陀螺框架轴以相同角速率相对旋转，则输出的力矩方向恒定在立柱方向，进而提高x构型储能式变速控制力矩陀螺机构控制性能。所述变速控制力矩陀螺框架轴以相同角速度相对旋转包括同时向中心旋转或同时向两侧旋转两种工作方式。根据平行四边形法则，所述的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构能够维持机构输出力矩在恒定方向，提高系统控制性能。

本发明还公开的一种用于柔性航天器振动能量一体化控制方法，用于控制所述x构型储能式变速控制力矩陀螺机构，所述用于柔性航天器振动能量一体化控制方法包括如下步骤：

步骤一：在柔性航天器上分布式安装n个x构型储能式变速控制力矩陀螺机构和m个敏感器。

所述单个x构型储能式变速控制力矩陀螺机构主要由真空室、封闭式外框架、立柱、和四个呈x构型分布的储能式变速控制力矩陀螺构成，单个x构型储能式变速控制力矩陀螺机构按照上述x构型储能式变速控制力矩陀螺机构连接关系构建。

步骤二：建立柔性航天器系统的振动方程及量测矩阵。

步骤三：为满足其他子系统功率需求，根据其他子系统的功率需求pd，单个x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中转子加速度均选择为满足如下关系式，即能够实现飞轮轮速平衡，进而不会因长期转速不均匀带来硬件寿命差异，提高硬件整体寿命。

其中：为转子转动惯量，ω为转子转速。

所述指满足其他子系统功率需求指：当其他子系统功率供过于求时，控制系统能够吸收其他子系统多余的能量，而当其他子系统功率供不应求时，控制系统能够释放能量补充其他子系统的需求。

步骤四：当柔性航天器振动时，转动框架轴输出力矩进行振动抑制；当柔性航天器不振动时，将框架轴转回原位。

所述转动框架轴输出力矩的具体实现方法为，变速控制力矩陀螺框架轴以相同角速率相对旋转，包括同时向中心旋转或同时向两侧旋转两种工作方式，所述x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中各框架轴转速率满足如下关系式，即通过如下关系式能够维持机构输出力矩在恒定方向，提高系统控制性能。

其中：δ为机构中框架轴相对于初始位置转过的角度；t为振动抑制所需力矩。根据平行四边形法则，所述的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构能够维持机构输出力矩在恒定方向，提高系统控制性能。

步骤五：按照步骤一至步骤四方法实现用于柔性航天器振动能量一体化控制。

作为优选，所述敏感器包括mems角速度计和线速度计。

作为优选，对于约束边界陀螺柔性结构，本发明公开的一种用于柔性航天器振动能量一体化控制方法，用于控制所述x构型储能式变速控制力矩陀螺机构，所述用于柔性结构振动能量一体化控制方法包括如下步骤：

步骤一：在约束边界柔性结构上分布式安装n个x构型储能式变速控制力矩陀螺机构，并共位安装n个敏感器。

步骤二：建立约束边界柔性结构的振动方程及量测矩阵。

步骤2.1：建立约束边界陀螺柔性结构振动方程为

其中：是柔性结构的模态坐标，k是描述柔性结构弹性运动模态坐标阶数；ea表示带有x构型储能式变速控制力矩陀螺机构的柔性结构的模态质量矩阵；db和λb分别代表刚度矩阵和阻尼矩阵；g是陀螺耦合矩阵；表征变速控制力矩陀螺的转子加速产生的广义模态力；ω为转子转速矩阵，ω＝[ω1,...,ω4n]^t，ωi为第i个变速控制力矩陀螺的转子转速；是变速控制力矩陀螺的框架轴转动产生的广义模态力；为框架轴转速矩阵，为第i个变速控制力矩陀螺的框架轴转速。其中，

其中：和分别为柔性结构上质量微元dm的平动模态向量和转动模态向量；mgi为第i个变速控制力矩陀螺的质量；jgi为第i个变速控制力矩陀螺框架轴的转动惯量；jri为第i个变速控制力矩陀螺飞轮的转动惯量，ab,gi为第i个变速控制力矩陀螺框架轴坐标系fgi到柔性结构本体坐标系fb的坐标转换矩阵，和是ab,gi的列子矩阵；和是中的项，和是rgi的行子矩阵。

步骤2.2：建立约束边界陀螺柔性结构的量测矩阵。

各个角速度传感器的测量方向与x构型储能式变速控制力矩陀螺机构输出的转矩方向一致，则量测矩阵为

其中：为第i个敏感器测量值，中的上标“⁰”表示等于在初始时刻的值。

步骤三：为满足其他子系统功率需求，根据其他子系统的功率需求pd，单个x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中转子加速度均选择为满足如下关系式，即能够实现飞轮轮速平衡，进而不会因长期转速不均匀带来硬件寿命差异，提高硬件整体寿命。

其中：jr为转子转动惯量，ω为转子转速。

步骤四：当柔性航天器振动时，转动框架轴输出力矩进行振动抑制；当柔性航天器不振动时，将框架轴转回原位。

所述转动框架轴输出力矩的具体实现方法为，变速控制力矩陀螺框架轴以相同角速率相对旋转，包括同时向中心旋转或同时向两侧旋转两种工作方式，所述第i个x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中各框架轴转速率满足如下关系式，即通过如下关系式能够维持机构输出力矩在恒定方向，提高系统控制性能。

其中：δi为机构中框架轴相对于初始位置转过的角度；ti为振动抑制所需力矩，ti＝-kdiβci，控制增益kdi>0。根据平行四边形法则，所述的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构能够维持机构输出力矩在恒定方向，提高系统控制性能。

步骤五：按照步骤一至步骤四方法实现用于柔性航天器振动能量一体化控制。

有益效果：

1、本发明公开的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构及其控制方法，所述x构型储能式变速控制力矩陀螺机构主要由真空室、封闭式外框架、立柱、和四个呈x构型分布的储能式变速控制力矩陀螺构成。当x构型储能式变速控制力矩陀螺机构进行储能或放能时，四个飞轮以相同的加速度同时加速或减速，飞轮角速度所产生的力矩相互抵消，即能够在飞轮不输出扰动力矩的同时，实现飞轮轮速平衡，进而不会因长期转速不均匀带来硬件寿命差异，提高硬件整体寿命；当x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中左右两侧的变速控制力矩陀螺框架轴以相同角速度相对旋转，则输出的力矩方向恒定在立柱方向，进而提高x构型储能式变速控制力矩陀螺机构控制性能。

2、本发明公开的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构及其控制方法，充分利用角动量交换装置中高速旋转的飞轮，利用飞轮进行能量存储，使得储能系统和振动抑制系统集成为一个系统，从而减少传统化学储能系统的质量。

3、本发明还公开的一种用于柔性航天器振动能量一体化控制方法，用于控制所述x构型储能式变速控制力矩陀螺机构，当柔性结构振动时，控制系统能够主动抑制振动；当柔性结构不振动时或者振幅很小时，控制系统能够在保持结构良好阻尼的同时吸收或释放能量。当其他子系统功率供过于求时，控制系统能够吸收其他子系统多余的能量；而当其他子系统功率供不应求时，控制系统能够释放能量补充其他子系统的需求。

4、本发明还公开的一种用于柔性航天器振动能量一体化控制方法，对于约束边界陀螺柔性桁架，还公开基于分布式变速控制力矩陀螺的约束边界陀螺柔性桁架振动能量一体化控制方法，实现基于分布式变速控制力矩陀螺的约束边界陀螺柔性桁架振动能量一体化控制。

5、本发明还公开的一种用于柔性航天器振动能量一体化控制方法，根据其他子系统的功率需求，选择x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中转子加速度为同一值即能够实现飞轮轮速平衡，进而不会因长期转速不均匀带来硬件寿命差异，提高硬件整体寿命。当柔性航天器振动时，x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中左右两侧的变速控制力矩陀螺框架轴以相同角速率相对旋转，能够维持机构输出力矩在恒定方向，提高系统控制性能；当柔性航天器不振动时，将框架轴转回原位。

6、本发明应用扩展空间较大，适用于任意形状的柔性航天器，例如大型航空器、大型机械装置等柔性结构的分布式控制，故也可应用于形状更为复杂的空间结构(例如抛物面天线等)，在抑制结构振动、提高系统整体控制精度的同时，增强系统的能量存储能力。不仅仅局限于柔性航天器领域。由于该方法的通用性强，实现简单，并且属于国内外相关研究和应用的创新方法，因此具有很大的市场竞争力和先发优势。

附图说明

图1为x构型储能式变速控制力矩陀螺机构示意图。

其中：1—真空室、2—储能式变速控制力矩陀螺、3—封闭式外框架、4—立柱、2.1—储能飞轮、2.2—用于驱动飞轮的可逆式电动/发电机、2.3—内框架、2.4—内框架驱动电机。

图2为x构型储能式变速控制力矩陀螺机构转子转向示意图，其中：图2(a)为第二飞轮和第四飞轮由立柱向外转、第一飞轮和第三飞轮由外向立柱转的情形，图2(b)为第二飞轮和第四飞轮由外向立柱转、第一飞轮和第三飞轮由立柱向外转的情形。

图3为携带两个x构型储能式变速控制力矩陀螺机构的约束边界柔性桁架结构示意图。

图4为本实施例中桁架模态坐标变化曲线。

图5为本实施例中x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中框架角变化曲线。

图6为本实施例中x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中框架角速度变化曲线。

图7为本实施例中x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中转子转速变化曲线。

图8为本实施例中功率变化曲线。

图9为本实施例中桁架端部变形量变化曲线。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图，以对携带两个x构型储能式变速控制力矩陀螺机构的约束边界柔性桁架结构作振动能量一体化控制为例，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的一种用于振动能量一体化控制的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构，主要由真空室1、封闭式外框架3、立柱4、和四个呈x构型分布的储能式变速控制力矩陀螺2构成。四个呈x构型分布的储能式变速控制力矩陀螺2分成两对，两两成对安装。储能式变速控制力矩陀螺2之间的夹角范围为0～180°。四个储能式变速控制力矩陀螺2完全相同，均主要由储能飞轮2.1、用于驱动飞轮的可逆式电动/发电机2.2、内框架2.3、内框架驱动电机2.4组成。储能式变速控制力矩陀螺2一端通过轴承与封闭式外框架封闭式外框架，另一端通过轴承与立柱连接。为了便于描述，沿顺时针方向将四个呈x构型分布的储能式变速控制力矩陀螺2定义为第一储能式变速控制力矩陀螺、第二储能式变速控制力矩陀螺、第三储能式变速控制力矩陀螺、第四储能式变速控制力矩陀螺；对应的内框架定义为第一框架、第二框架、第三框架、第四框架；对应的储能飞轮定义为第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮、第四飞轮。飞轮旋转定义方向为：第二飞轮和第四飞轮由立柱向外转、第一飞轮和第三飞轮由外向立柱转；或第二飞轮和第四飞轮由外向立柱转、第一飞轮和第三飞轮由立柱向外转。

当x构型储能式变速控制力矩陀螺机构进行储能或放能时，四个储能飞轮2.1以相同的加速度同时加速或减速，储能飞轮2.1角速度所产生的力矩相互抵消，即能够在储能飞轮2.1不输出扰动力矩的同时，实现储能飞轮2.1轮速平衡，进而不会因长期转速不均匀带来硬件寿命差异，提高硬件整体寿命；当x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中左右两侧的变速控制力矩陀螺框架轴以相同角速率相对旋转，则输出的力矩方向恒定在立柱方向，进而提高x构型储能式变速控制力矩陀螺机构控制性能。所述变速控制力矩陀螺框架轴以相同角速度相对旋转包括同时向中心旋转或同时向两侧旋转两种工作方式。根据平行四边形法则，所述的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构能够维持机构输出力矩在恒定方向，提高系统控制性能。

本实施例公开的一种用于柔性航天器振动能量一体化控制方法，用于控制所述x构型储能式变速控制力矩陀螺机构，所述用于柔性航天器振动能量一体化控制方法，具体实现步骤如下：

步骤一：在柔性桁架端部安装2个x构型储能式变速控制力矩陀螺机构，并共位安装2个角速度计。

设计如图3所示的约束边界陀螺柔性桁架，不挂载x构型储能式变速控制力矩陀螺机构的一端为约束边界。桁架长10m，横截面尺寸为500×300mm。不挂载x构型储能式变速控制力矩陀螺机构时桁架基频为1.824hz，选取桁架的前4阶模态描述其振动。x构型储能式变速控制力矩重陀螺机构5kg，其飞轮及内框架转动惯量分别是jg＝diag[3,5,3]×10^-5kg·m²和jr＝diag[3,16,3]×10^-5kg·m²。

安装于xb方向上的x构型变速控制力矩陀螺机构输出的作用力矩在xb方向上，可用于抑制桁架yb方向上的振动；安装于yb方向上的x构型变速控制力矩陀螺机构输出的作用力矩在yb方向上，可用于抑制桁架xb方向上的振动。

步骤二：建立约束边界柔性结构的振动方程及量测矩阵。

步骤2.1：建立约束边界陀螺柔性结构振动方程为

其中：是柔性桁架的模态坐标；ea表示带有x构型储能式变速控制力矩陀螺机构的柔性桁架的模态质量矩阵；db和λb分别代表刚度矩阵和阻尼矩阵；g是陀螺耦合矩阵；表征x构型储能式变速控制力矩陀螺机构的转子加速产生的广义模态力，是x构型储能式变速控制力矩陀螺机构的框架轴转动产生的广义模态力，其中，

其中：和分别为桁架上质量微元的平动模态向量和转动模态向量；jr和jg分别为转子转动惯量和框架轴转动惯量，ab,gi为第i个变速控制力矩陀螺框架轴坐标系fgi到桁架本体坐标系fb的坐标转换矩阵，和是ab,gi的列子矩阵；和是中的项，和是rgi的行子矩阵。

步骤2.2：建立约束边界陀螺柔性结构的量测矩阵。

各个角速度传感器的测量方向与x构型储能式变速控制力矩陀螺机构输出的转矩方向一致，则量测矩阵为

其中：为第i个敏感器测量值，

步骤三：为满足其他子系统功率需求，根据其他子系统的功率需求pd，单个x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中转子加速度均选择为满足如下关系式，即能够实现飞轮轮速平衡，进而不会因长期转速不均匀带来硬件寿命差异，提高硬件整体寿命。

其中：jr为转子转动惯量，ω为转子转速。

步骤四：当柔性航天器振动时，转动框架轴输出力矩进行振动抑制；当柔性航天器不振动时，将框架轴转回原位。

所述转动框架轴输出力矩的具体实现方法为，所述第i个x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中各框架轴转速率满足如下关系式，即通过如下关系式能够维持机构输出力矩在恒定方向，提高系统控制性能。

其中：δi为机构中框架轴相对于初始位置转过的角度；ti为振动抑制所需力矩，ti＝-kdiβci，控制增益kdi>0。根据平行四边形法则，所述的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构能够维持机构输出力矩在恒定方向，提高系统控制性能。

步骤五：按照步骤一至步骤四方法实现用于柔性航天器振动能量一体化控制。

下面通过数值仿真验证本实施例的有效性。

设定系统轨道周期为5750s，其中日照区时长为3750s，地影区时长为2000s。该桁架结构上的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构在日照区充能，功率为5w；在地影区的前1750s，x构型储能式变速控制力矩陀螺机构输出功率为为5w；在地影区的后250s，x构型储能式变速控制力矩陀螺机构输出功率为40w。初始时τb＝[1,1,0,0]^t，转子角速率为30000r/min，所有初始框架角为零。在每一轨道周期第3000s，对框架角速率施加57.5s摄动，其值为0.5rad/s。反馈控制参数矩阵选择为kd1＝kd2＝1000。

经过12000s仿真，结果表明，本实施例中，本发明公开的x构型储能式变速控制力矩陀螺机构及其控制方法能在满足功率需求的同时抑制桁架振动，实现柔性结构振动能量一体化控制。图4表明，本实施例中的控制方案能实现柔性结构振动抑制。图5和图6表明x构型储能式变速控制力矩陀螺机构中框架轴运动为小量。图7描述了转子角速率随功率要求变化的时变过程，表明轮速平衡得到了实现。图8表明，在整个仿真过程中功率需求得到了很好满足。图4和图9表明，初始时桁架的弹性变形迅速衰减，且在主动振动抑制作用下始终保持良好阻尼。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。