一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法
【专利摘要】一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法，根据历史及当前的动量轮转速测量信息，利用新陈代谢型离散灰色预测模型预测下一时刻的转速值；基于该转速预测值与修正的当前时刻测量值的差分，计算得到当前时刻的力矩测量值；在新陈代谢型离散灰色预测模型的计算前，利用转速均方差和平均相对建模误差自动调整建模数据长度。本发明克服了直接利用原始转速信息进行差分求导的弊端，又避免了额外引入动量轮控制电压或电流信息的困难，而力矩测量的准确性和实时性却可有效提高，尤其适用于低转速贫信息条件下的动量轮力矩测量。
【专利说明】一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法，适用于航天器控制 系统地面测试时的动量轮力矩测量，也可推广应用于其它类似转动机构的有低转速测量需 要的场合。
【背景技术】
[0002] 动量轮是航天器上最常用的执行机构之一，是实现航天器姿态闭环控制的重要环 节。其基本原理是，通过调节动量轮转速，进行动量轮与航天器本体之间的角动量交换，进 而实现航天器姿态转角控制。其本质是动量轮与航天器本体之间的相互力矩作用。在航天 器控制系统地面测试中，需要根据动量轮输出的转速信息，计算动量轮作用于航天器的反 作用力矩，并作为航天器姿态动力学模型的输入，经解算后获得航天器的姿态信息。因此， 动量轮的力矩测量是控制系统地面测试中的一项重要工作。
[0003] 动量轮的力矩测量方式可分为两大类：
[0004] (1)采用专门的硬件设备进行测量，通常是将动量轮置于单轴气浮台上，并将气浮 台与力矩器联接，基于力矩平衡原理利用力矩器的输出来测量动量轮的力矩（参考文献： 邵长胜，邓正隆.卫星姿控仿真系统中的力矩传感器.宇航学报，2000, 21 (4): 90-94)。这 类方法需要研制专门的硬件设备，成本昂贵，使用复杂。
[0005] (2)以转速测量为基础的测量方法，其基本原理是通过转速差分获得角加速度，再 将角加速度与转动惯量相乘即得动量轮的反作用力矩。这类方法属于软件式测量方法，实 现起来比较简单，基本上不需要增加额外的硬件设备，因而在控制系统的地面测试中获得 了广泛应用。这类方法又可分为3种子类：a)直接利用测量的角速度信息进行差分计算，由 于转速采集存在时延和误差（尤其是低转速时），这种直接计算方法存在较大弊端，通常只 在要求不高的场合使用；b)对转速数据进行滤波处理，这种方法虽然可以降低测量噪声带 来的误差，但却引入了更多的时间滞后；c)利用控制电压或电机电流等信息、结合转速信 息，构建线性状态观测器（参考文献[1]:王炳全，李瀛，杨涤.改善反作用轮低速性能的补 偿观测器方法.空间科学学报，1999, 19(4) : 362-367。参考文献[2]:李连军，戴金海.反 作用轮低速特性观测补偿方法.国防科技大学学报，2005, 27 (1) : 39-43)，其缺点是需要额 外引入动量轮的控制电压或电流信息，而绝大多数动量轮通常都不提供控制电压或驱动电 流的地面测量接口；当然，控制电压等测量信息是可以通过星上遥测得到的，但受遥测机制 的限制，这些遥测信息有0.5s (快帧）甚至8s以上（慢帧）的时延，因此是难以直接应用 于观测器中的。
[0006] 综上所述，现有的动量轮力矩测量方法都存在一定的局限性。尤其是对于低转速 (300转/分钟以下）贫信息（仅能获得转速脉冲信息）条件下的力矩测量而言，第二大类 方法（即软件式测试方法）效果不佳。主要困难在于，在低转速时动量轮的转速测点很少 (目前工程上使用的动量轮测速方式多为每转出24或36个脉冲的方式），存在较大的时延 和测量误差，若直接根据转速信息进行差分求导来计算反作用力矩，其误差往往非常大，以 至于无法使用；并且低转速时尤其是零转速附近摩擦力矩的特性非常复杂，基于建模的观 测器方法也难以取得好效果。
【发明内容】
[0007] 本发明的技术解决问题：克服现有以转速测量为基础的动量轮力矩测量方法的不 足，提出一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法，既克服了直接利用原始转速信 息进行差分求导的弊端，又避免了额外引入动量轮控制电压或电流信息的困难，有效提高 了力矩测量的准确性和实时性，尤其适用于低转速贫信息条件下的动量轮力矩测量。
[0008] 本发明的技术解决方案：一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法，其特 征在于步骤如下：
[0009] (1)将动量轮转速的历史测量值及当前k时刻测量值按时间顺序排成一个转速测 量值序列，计算当前k时刻的转速均方差，根据该均方差和k-Ι时刻计算的平均相对建模误 差的大小自动调整建模数据长度，k为大于等于1的整数。
[0010] (2)根据步骤（1)获得的建模数据长度，构建新陈代谢型离散灰色预测模型，由该 模型计算得到动量轮转速的一步预测值，将该预测值与历史预测值按时间顺序排成一个转 速预测值序列。
[0011] (3)根据步骤（1)得到的转速测量值序列和步骤（2)得到的转速预测值序列，计算 当前k时刻的平均相对建模误差。
[0012] (4)根据步骤（3)得到的当前k时刻的平均相对建模误差决定当前时刻的力矩计 算模型，根据该模型计算得到当前时刻的力矩。
[0013] (5)将步骤（3)得到的平均相对建模误差返回到步骤（1)。
[0014] 所述的步骤（1)中自动调整建模数据长度的方法如下：
[0015] (1)初始时令建模数据长度N为区间[5, 15]中的某一个值；
[0016] (2)根据当前k时刻及前溯N-1个时刻的共N个转速测量值按时间顺序排成转速 测量值序列ωΜ+1，…，c〇k，计算当前k时刻转速均方差〇k，计算公式如下：
[0017]
【权利要求】
1. 一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法，其特征在于包括步骤如下： (1) 将动量轮转速的历史测量值及当前k时刻测量值按时间顺序排成一个转速测量值 序列，计算当前k时刻的转速均方差，根据该均方差和k-1时刻计算的平均相对建模误差的 大小自动调整建模数据长度，k为大于等于1的整数； (2) 根据步骤（1)获得的建模数据长度，构建新陈代谢型离散灰色预测模型，由该模型 计算得到动量轮转速的一步预测值，将该预测值与历史预测值按时间顺序排成一个转速预 测值序列； (3) 根据步骤⑴得到的转速测量值序列和步骤（2)得到的转速预测值序列，计算当前 k时刻的平均相对建模误差； (4) 根据步骤（3)得到的当前k时刻的平均相对建模误差决定当前时刻的力矩计算模 型，根据该模型计算得到当前时刻的力矩； (5) 将步骤（3)得到的平均相对建模误差返回到步骤（1)。
2. 根据权利要求1所述的一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法，其特征在 于：所述的步骤（1)中自动调整建模数据长度的方法如下： (1) 初始时令建模数据长度N为区间[5, 15]中的某一个值； (2) 根据当前k时刻及前溯N-1个时刻的共N个转速测量值按时间顺序排成转速测量 值序列ωΜ+1，…，c〇 k，计算当前k时刻转速均方差〇k，计算公式如下：
⑴ 其中，j是中间临时变量，取值为k-N+1，k-N+2,…，k ; 是j时刻的转速测量值；勿为 均值，其计算公式如下：
(2) (3) 将当前k时刻转速均方差以及前溯N-1个时刻的转速均方差按时间顺序排成一个 序列〇k_N+1，…， 〇k，计算该序列中的最大值〇max; (4) 用下述公式调整建模数据长度N :
(3) 式中，符号表示将右边的值赋给左边；Nd为调整量基值，默认取5 ;c为加权系数，默 认取0. 5 ; Λ η为上一步k-Ι时刻的平均相对建模误差，初始时取0 ;
为平均相对建模 误差序列中的最大值；int()为取整函数。
3. 根据权利要求1所述的一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法，其特征在 于：所述的步骤（2)的新陈代谢型离散灰色预测模型的计算过程如下： (1)将转速测量值序列记为
，计算该序列对应的一次累加生成序 列
，该序列中每个元素411的计算公式如下： (4) (2) 根据步骤（1)中的一次累加生成序列，记一次累加值向量
记一次累加值历史矩阵
记待求的系数向量
，其中βρ β2、03为3个待求系数，由如下公式计算系数向量：
(5) (3) 根据公式（5)得到的3个系数βρ β2、β3，计算新陈代谢型离散灰色预测模型的 k+Ι时刻一次累加预测值
(6) (4) 对k+l时刻一次累加预测值做还原计算，得到k+l时刻的转速预测值％+1:
(7)
4. 根据权利要求1所述的一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法，其特征在 于：所述的步骤（3)的平均相对建模误差Ak计算方法如下：
(8) 式中，
为j时刻的转速预测值； 当前k时刻的平均相对建模误差Ak将用于下一步k+Ι时刻的公式（3)的计算中，以 自动调整k+Ι时刻的建模数据长度N。
5. 根据权利要求1所述的一种动量轮低转速贫信息条件下的力矩测量方法，其特征在 于：所述的步骤（4)的力矩计算方法如下： 当Λ k < D，新陈代谢型离散灰色预测模型可用，采用基于新陈代谢型离散灰色预测模 型的力矩计算公式：
(9) 其中D为平均相对建模误差预设槛值，D的取值范围为[2, 5]转/分钟；
为k时刻 的转速预测值； 当Λ k>D，新陈代谢型离散灰色预测模型不可用，采用基于k时刻转速测量值修正的非 预测型力矩计算公式： (10) 其中，J为动量轮的转动惯量，S t为计算步长，
为k-i时刻的转速预测值。
【文档编号】G01L5/00GK104062054SQ201410256770
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】王佐伟, 杨帆, 蔡君亮, 刘江, 吴小明 申请人:北京控制工程研究所