一种零动量轮摩擦抑制与抵消验证系统的制作方法
【专利摘要】一种零动量轮摩擦抑制与抵消验证系统，包括零动量轮、电源、台载无线传输单元、气浮台、光纤陀螺仪、实时仿真目标机、遥测遥控终端、可剪裁式控制模块以及姿态确定模块；其中可剪裁式控制模块由摩擦观测器和反馈控制器构成；本系统包含一个含有真实零动量轮执行机构的航天器姿态控制系统半物理仿真回路，并能对可剪裁式控制模块进行验证，其中可剪裁式控制模块中的反馈控制器并不固定，可以根据实际系统按需选择；本发明具有结构简单、通讯便捷及操作高效的优点，能够对多种航天器姿态控制方法进行综合对比分析，为航空航天领域中的高精度对地观测、高精度太空望远镜等任务提供地面测试及验证。
【专利说明】一种零动量轮摩擦抑制与抵消验证系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种零动量轮摩擦抑制与抵消验证系统，该系统可在地面模拟带零动 量轮执行机构的航天器在轨时的姿态控制过程，适用于验证使用零动量轮的航天器姿态控 制系统中姿态控制算法有效性。
【背景技术】
[0002] 随着航天事业的不断发展，航天器姿态控制的精度和稳定度的需求越来越高，尤 其是在高分辨率对地观测，高精度太空望远镜等任务中。从20世纪60年代以来，零动量轮 以其结构简单、工作稳定的特点已经作为航天器主要执行机构来完成航天器的姿态控制。 但是，零动量轮由于其自身的固有特性存在摩擦扰动的影响，尤其是在低速情况及转速过 零情况下尤其严重，容易引起航天器姿态控制系统的失衡，因此对于零动量轮所引起的摩 擦扰动问题已经是目前航天器姿态控制系统设计时所需要考虑的主要问题之一。
[0003] 此外航天工程由于具有高风险、高复杂性以及高投入的特点，在设计过程中必须 考虑到投入以及风险。目前主要存在全数字仿真、半物理仿真以及全物理仿真，但是全数字 仿真存在航天器系统所有子模块全部是数学模型，相对真实器件会存在一定偏差，而全物 理仿真所有的器件均完全按照航天器系统在轨真实环境进行搭建，成本高且试验难度大， 因此通过连接部分真实实物的半物理仿真成为最佳选择。另外目前已有的研究零动量轮摩 擦的半物理仿真系统，部分并没有使用气浮台，仅使用数字模型代替气浮台，在精度上无法 完全模拟真实情况；另一类则是每一次试验都是针对单一控制参数，单一控制方法，无法在 线调参，也无法实时切换不同控制方法进行效果对比，每次验证后均需要重新停机，修改参 数或者控制算法后再重新启动，非常繁琐，浪费大量的经济成本与时间成本。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有结构简单、控制模 块可剪裁、测试便捷以及传输方便的零动量轮摩擦抑制与抵消验证系统，利用该系统可以 为使用零动量轮作为执行机构的航天器提供高精度、高可靠性的姿态控制算法地面验证与 测试。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种零动量轮摩擦抑制与抵消验证系统，其特征在于 包括：气浮台、电源、台载无线传输单元、零动量轮、实时仿真目标机、光纤陀螺、遥测遥控终 端、可剪裁式控制模块、姿态确定模块，其中可剪裁式控制模块由摩擦观测器和反馈控制器 构成；所述气浮台用于模拟航天器的动力学与运动学；所述电源用于为气浮台搭载的零动 量轮、实时仿真目标机以及光纤陀螺提供正常工作的电压；所述台载无线传输单元用于接 收遥测遥控终端的控制指令，用于调整实时仿真目标机中运行的可剪裁式控制模块的摩擦 观测器和反馈控制器参数以及切换不同类型反馈控制器，便于进行不同控制算法控制效果 对比，同时也将实时仿真目标机中的航天器姿态数据发送到遥测遥控终端用于数据记录及 显示；所述零动量轮用于实时执行力矩指令；所述实时仿真目标机用于可剪裁式控制模块 和姿态确定模块的实时仿真；所述光纤陀螺用于测定当前时刻气浮台的姿态角以及姿态角 速度；光纤陀螺实时感知气浮台当前的姿态角与姿态角速度，获取航天器的姿态信息，将姿 态信息传递给实时仿真目标机中的姿态确定模块，并与期望姿态进行比较，继而将偏差信 息传递给实时仿真目标机中可剪裁式控制模块，可剪裁式控制模块进行解算，此后将解算 产生的控制力矩传递给零动量轮，零动量轮运转并驱动气浮台进行相应运动，最后气浮台 姿态又被光纤陀螺进行感知，完成一次完整的信息传递，构成了完整的航天器姿态控制回 路；所述的遥测遥控终端包括遥测遥控计算机和远端无线传输单元，用于远程控制实时仿 真目标机中的可剪裁式控制模块，用于可剪裁式控制模块中摩擦观测器和反馈控制器参数 的修改以及不同类别反馈控制器的切换，并接收和处理实时仿真目标机回传的姿态信息；
[0006] 所述的姿态确定模块运行在实时仿真目标机中，用于接收当前的气浮台姿态信息 并进行解算，并与期望的姿态信息进行对比，生成姿态偏差信息并将其传递至实时仿真目 标机中的可剪裁式控制模块；
[0007] 所述可剪裁式控制模块运行在实时仿真目标机中，用于接收实时仿真目标机中姿 态确定模块传递的姿态偏差信息，经过可剪裁式控制模块计算后，生成控制指令，并将控制 指令传递至零动量轮，控制零动量轮进行运转，完成航天器系统姿态控制；
[0008] 所述可剪裁式控制模块由摩擦观测器和反馈控制器组成，摩擦观测器对零动量轮 的摩擦干扰进行估计并补偿，反馈控制器完成系统镇定以及对系统存在的不确定性干扰进 4丁抑制；
[0009] 所述摩擦观测器对零动量轮的摩擦干扰进行估计并补偿，具体实施步骤如下：
[0010] 第一步，建立通用的航天器姿态控制系统状态空间模型
[0011] 针对一般航天器姿态控制系统，其状态空间具体表征为：
[0012]
【权利要求】
1. 一种零动量轮摩擦抑制与抵消验证系统，其特征在于包括：气浮台、电源、台载无线 传输单元、零动量轮、实时仿真目标机、光纤陀螺、遥测遥控终端、可剪裁式控制模块、姿态 确定模块，其中可剪裁式控制模块由摩擦观测器和反馈控制器构成；所述气浮台用于模拟 航天器的动力学与运动学；所述电源用于为气浮台搭载的零动量轮、实时仿真目标机以及 光纤陀螺提供正常工作的电压；所述台载无线传输单元用于接收遥测遥控终端的控制指 令，用于调整实时仿真目标机中运行的可剪裁式控制模块的摩擦观测器和反馈控制器参数 以及切换不同类型反馈控制器，便于进行不同控制算法控制效果对比，同时也将实时仿真 目标机中的航天器姿态数据发送到遥测遥控终端用于数据记录及显示；所述零动量轮用于 实时执行力矩指令；所述实时仿真目标机用于可剪裁式控制模块和姿态确定模块的实时仿 真；所述光纤陀螺用于测定当前时刻气浮台的姿态角以及姿态角速度；光纤陀螺实时感知 气浮台当前的姿态角与姿态角速度，获取航天器的姿态信息，将姿态信息传递给实时仿真 目标机中的姿态确定模块，并与期望姿态进行比较，继而将偏差信息传递给实时仿真目标 机中可剪裁式控制模块，可剪裁式控制模块进行解算，此后将解算产生的控制力矩传递给 零动量轮，零动量轮运转并驱动气浮台进行相应运动，最后气浮台姿态又被光纤陀螺进行 感知，完成一次完整的信息传递，构成了完整的航天器姿态控制回路；所述的遥测遥控终端 包括遥测遥控计算机和远端无线传输单元，用于远程控制实时仿真目标机中的可剪裁式控 制模块，用于可剪裁式控制模块中摩擦观测器和反馈控制器参数的修改以及不同类别反馈 控制器的切换，并接收和处理实时仿真目标机回传的姿态信息； 所述的姿态确定模块运行在实时仿真目标机中，用于接收当前的气浮台姿态信息并进 行解算，并与期望的姿态信息进行对比，生成姿态偏差信息并将其传递至实时仿真目标机 中的可剪裁式控制模块； 所述可剪裁式控制模块运行在实时仿真目标机中，用于接收实时仿真目标机中姿态确 定模块传递的姿态偏差信息，经过可剪裁式控制模块计算后，生成控制指令，并将控制指令 传递至零动量轮，控制零动量轮进行运转，完成航天器系统姿态控制； 所述可剪裁式控制模块由摩擦观测器和反馈控制器组成，摩擦观测器对零动量轮的摩 擦干扰进行估计并补偿，反馈控制器完成系统镇定以及对系统存在的不确定性干扰进行抑 制； 所述摩擦观测器对零动量轮的摩擦干扰进行估计并补偿，具体实施步骤如下： 第一步，建立通用的航天器姿态控制系统状态空间模型 针对一般航天器姿态控制系统，其状态空间具体表征为：
其中，X(t)为航天器系统的状态，A为航天器系统矩阵，B阵为航天器系统的输入矩 阵，C阵为航天器系统的输出矩阵，u(t)为可剪裁式控制模块输出，d(t)为姿态控制系统中 存在的无模型的零动量轮摩擦干扰，y(t)为系统的输出；式中对于无模型的零动量轮摩擦 d(t)表征为：
第二步，设计摩擦观测器 对于上述无模型零动量轮摩擦干扰，设计摩擦观测器，对摩擦干扰的估计表征为：
式中L为摩擦观测器增益，J⑴为零动量轮摩擦干扰的估计值，由于航天器系统的部分 状态的导数在真实物理系统中是不可测定，无法获取，因此将上式转化为：
定义摩擦观测器的辅助变量z (t)和p (X)，有：
得到摩擦观测器，表征如下：
第三步，选取反馈控制器及对应的控制律 在完成干扰估计基础上，再根据实际对象选取一种反馈控制器，同时选取对应的控制 律为：
其中，^ (t)为所选定的反馈控制器的输出，从而完成航天器系统的姿态控制。
2. 根据权利要求1所述的一种零动量轮摩擦抑制与抵消验证系统，其特征在于：所述 遥测遥控模块包括遥测遥控计算机与远端无线传输单元，遥测遥控计算机用于实时求取可 剪裁式控制模块中反馈控制器与摩擦观测器的增益，并通过远端无线传输单元与台载无线 传输单元实时完成所求控制器增益的传递，达到实时修改实时仿真目标机中运行的可剪裁 式控制模块中反馈控制器与摩擦观测器增益的目的；此外还可以通过无线传输的方式，远 程遥控实时仿真目标机中运行的可剪裁式控制模块中不同反馈控制器的切换，能够在不进 行硬件回路更改，系统不重启的基础上，实现多组不同控制算法的验证分析与对比；此外遥 测遥控计算机还用于接收远端无线传输单元传递的姿态数据，并完成数据的存储及处理； 所述的远端无线传输单元用于完成与台载无线传输单元的无线通讯，完成遥测遥控计算机 发送的调参与切换控制指令，同时也用于从台载无线传输单元接收实时仿真目标机中解算 的航天器姿态数据，并传递给遥测遥控计算机。
3. 根据权利要求1所述的一种零动量轮摩擦抑制与抵消验证系统，其特征在于：所述 的反馈控制器并不固定，可以根据实际任务需求选取反馈控制器，搭配摩擦观测器构成整 体的可剪裁式控制模块完成对航天器系统的姿态控制。
【文档编号】G05B23/02GK104155969SQ201410363901
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】郭雷, 张培喜, 乔建忠, 李文硕, 徐建伟 申请人:北京航空航天大学