航天器控制7：航天器姿态主动稳定系统(3).pdf

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航天器控制-（八）航天器主动姿态稳定系统（3）郭延宁哈尔滨工业大学2航天器控制2015/12/28航天器控制航天器控制姿态控制系统姿态控制系统姿态确定姿态确定姿态敏感器姿态敏感器姿态确定算法姿态确定算法姿态控制姿态控制姿态稳定姿态稳定稳定方式稳定方式执行机构执行机构控制计算机控制计算机姿态机动姿态机动轨道控制系统轨道控制系统轨道确定轨道确定自主导航自主导航非自主导航非自主导航轨道控制轨道控制轨道保持轨道保持轨道调整轨道调整3主要内容2015/12/28控制力矩陀螺工作特性与奇异控制力矩陀螺工作特性与奇异控制力矩陀螺操纵律控制力矩陀螺操纵律41.1控制力矩陀螺工作特性控制力矩陀螺如果把恒速旋转的轮子装在框架上，而框架又可以相对于航天器本体转动，即框架角变化，那么就得到了如果把恒速旋转的轮子装在框架上，而框架又可以相对于航天器本体转动，即框架角变化，那么就得到了角动量的大小恒定不变而方向可变的飞轮角动量的大小恒定不变而方向可变的飞轮，这种飞轮称为控制力矩陀螺（，这种飞轮称为控制力矩陀螺（CMG）。

）。

2015/12/28单框架CMG角动量方向变化在一个平面内双框架CMG角动量方向在三维空间内任意改变51.1控制力矩陀螺工作特性控制力矩陀螺工作优点1）相对推力器，相对推力器，CMG可输出连续光滑的控制力矩；可输出连续光滑的控制力矩；2）相对动量轮或反作用飞轮，相对动量轮或反作用飞轮，CMG可输出可输出显著的控制力矩显著的控制力矩，响应快，且转子恒速，比变速飞轮更容易处理振动隔离问题。

，响应快，且转子恒速，比变速飞轮更容易处理振动隔离问题。

3）主要使用电能，可从太阳电池阵获取，适合长寿命工作。

主要使用电能，可从太阳电池阵获取，适合长寿命工作。

4）单框架控制力矩陀螺有着单框架控制力矩陀螺有着极高的力矩放大作用极高的力矩放大作用，完成同样姿态机动任务能耗极低。

，完成同样姿态机动任务能耗极低。

控制力矩陀螺工作缺点1）奇异问题奇异问题，即在某种框架角组合下，沿某一方向或在某个平面上无法输出力矩；，即在某种框架角组合下，沿某一方向或在某个平面上无法输出力矩；2）相对飞轮而言，相对飞轮而言，结构复杂结构复杂，成本高，控制精度低；，成本高，控制精度低；2015/12/2861.1控制力矩陀螺工作特性控制力矩陀螺力矩放大特性输入力矩输入力矩本体转动引起的驱动力矩本体转动引起的驱动力矩框架旋转驱动力矩框架旋转驱动力矩输出力矩输出力矩力矩放大特性力矩放大特性2015/12/28+（）ingygimgggthIIhIhhuuuggtgg|outampintgthhIuu（）（）（）outcmghhuhghtinuhoutuogthoutuinuhDGCMG是否具有力矩放大特性？

71.1控制力矩陀螺工作特性控制力矩陀螺力矩快速角动量交换能力以剪式以剪式CMG为例为例该配置至少需要六个该配置至少需要六个CMG才能实现三轴控制，效率较低才能实现三轴控制，效率较低2015/12/28hh8视频-控制力矩陀螺角动量交换特性2015/12/2891.2控制力矩陀螺应用控制力矩陀螺应用大型航天器（如空间站），敏捷航天器大型航天器（如空间站），敏捷航天器2015/12/28BIlSAT-1（Surrey）Sept.,2003130kg2SGCMG&4RWWordView-1&2（Digitalglobe）Sept.,20072500kg4SGCMGPleiades1&2（CNES）201120121000kg4SGCMG101.2控制力矩陀螺应用控制力矩陀螺应用大型航天器（如空间站），敏捷航天器大型航天器（如空间站），敏捷航天器2015/12/28和平号空间站和平号空间站Feb.,1986124ton6SGCMG天宫一号空间站天宫一号空间站Sep.,20118.5ton6SGCMG国际空间站国际空间站1998-2011369ton4DGCMG111.3控制力矩陀螺构型实际应用的CMG一般为对称安装，主要分为：

成对安装形式成对安装形式：

同一轴上安装两个：

同一轴上安装两个CMG，减轻系统复杂度；，减轻系统复杂度；2015/12/28121.3控制力矩陀螺构型实际应用的CMG一般为对称安装，主要分为：

成对安装形式成对安装形式：

同一轴上安装两个：

同一轴上安装两个CMG，减轻系统复杂度；，减轻系统复杂度；非成对安装形式非成对安装形式：

每一轴上安装不超过一个：

每一轴上安装不超过一个CMG，框架轴成对称分布，主要考虑失效操纵的相容性。

，框架轴成对称分布，主要考虑失效操纵的相容性。

所有所有CMG全部斜装情况全部斜装情况2015/12/28131.3控制力矩陀螺构型实际应用的CMG一般为对称安装，主要分为：

成对安装形式成对安装形式：

同一轴上安装两个：

同一轴上安装两个CMG，减轻系统复杂度；，减轻系统复杂度；非成对安装形式非成对安装形式：

每一轴上安装不超过一个：

每一轴上安装不超过一个CMG，框架轴成对称分布，主要考虑失效操纵的相容性。

，框架轴成对称分布，主要考虑失效操纵的相容性。

所有所有CMG全部斜装情况全部斜装情况斜装斜装CMG加一个过转轴过对称轴加一个过转轴过对称轴CMG2015/12/28141.3控制力矩陀螺构型CMG构型设计及选取要求构型构型角动量包络和输出力矩角动量包络和输出力矩满足任务要求，一般接近于球形。

满足任务要求，一般接近于球形。

设计合理的构型设计合理的构型有利于应对奇异有利于应对奇异，操纵律简单。

，操纵律简单。

构型应具有一定的构型应具有一定的可靠性及冗余可靠性及冗余。

当部分。

当部分SGCMG失效时，能保持三轴控制能力，减小控制性能的损失。

失效时，能保持三轴控制能力，减小控制性能的损失。

成本要求、数量、体积、能耗、质量等实际因素。

成本要求、数量、体积、能耗、质量等实际因素。

2015/12/28分类分类分类分类成对安装成对安装成对安装成对安装双平行双平行双平行双平行三平行三平行三平行三平行非成对对称安装非成对对称安装非成对对称安装非成对对称安装金字塔金字塔金字塔金字塔四棱锥四棱锥四棱锥四棱锥五棱锥五棱锥五棱锥五棱锥五面锥五面锥五面锥五面锥151.3控制力矩陀螺构型几种典型结构对应的角动量2015/12/28161.4控制力矩陀螺奇异1.4.1控制力矩陀螺奇异单个单个CMG情况：

给定任意期望力矩情况：

给定任意期望力矩u,共有两个奇异状态共有两个奇异状态2015/12/28igitihihitu（）|iiiiigughgug为转轴方向h为转子角动量方向t为力矩方向图中若转子角动量方向为h或h，则不可能在u方向产生力矩。

hi=f（gi,u）？

171.4控制力矩陀螺奇异1.4.1控制力矩陀螺奇异多个多个CMG情况情况所有可行力矩共面所有可行力矩共面不能提供正交于该平面的力矩不能提供正交于该平面的力矩2015/12/28xyz1g2g3g4g4t4h3t1t2t3h2h1h无论有多少个无论有多少个CMG，系统都会存在奇异，对么？

，系统都会存在奇异，对么？

181.4控制力矩陀螺奇异1.4.2控制力矩陀螺奇异的数学描述以金字塔构型以金字塔构型CMG为例，为例，为角动量所在平面与底面夹角，设为角动量所在平面与底面夹角，设h为为CMG角动量幅值，角动量幅值，4个个CMG框架角为框架角为14.则有则有CMG的角动量分别为的角动量分别为2015/12/28xyz1g2g3g4g4t4h3t1t2t3h2h1h11111sincoscossinsinghhhh2222cossincossinsinghhg3和hg4？

191.4控制力矩陀螺奇异1.4.2控制力矩陀螺奇异的数学描述金字塔构型金字塔构型CMG为总角动量为为总角动量为2015/12/281234123412341234（）sincoscossincoscoscossincoscossincossinsinsinsinsinsinsinsinghhhhhhhxyz1g2g3g4g4t4h3t1t2t3h2h1h201.4控制力矩陀螺奇异1.4.2控制力矩陀螺奇异的数学描述金字塔构型金字塔构型CMG为总角动量为为总角动量为当框架角运动时，有金字塔构型当框架角运动时，有金字塔构型CMG角动量变化率为角动量变化率为2015/12/281234123412341234（）sincoscossincoscoscossincoscossincossinsinsinsinsinsinsinsinghhhhhhh1234123412341234（）coscossincoscossinsincoscossincoscoscossincossincossincossingchhhhhhhhCC雅可比矩阵雅可比矩阵211.4控制力矩陀螺奇异1.4.2控制力矩陀螺奇异的数学描述对于给定控制力矩对于给定控制力矩uc，有，有若若rank（C）=3,上式解不唯一，方程可解；上式解不唯一，方程可解；若若rank（C）3,上式无解，上式无解，即系统发生奇异即系统发生奇异；2015/12/28cghuhC可否参考飞轮系力矩分配策略，直接对C求逆或伪逆？

123412341234coscossincoscossinsincoscossincoscoscossincossincossincossinC140101101020000=C221.4控制力矩陀螺奇异1.4.3控制力矩陀螺奇异分类安装有安装有n个个CMG情况，给定任意期望力矩，奇异状态数量？

情况，给定任意期望力矩，奇异状态数量？

根据根据1n符号，将奇异状态分为符号，将奇异状态分为2015/12/28igitihihitu（）|iiiiigughgu外部奇异外部奇异又称饱和奇异，对应符号“+”状态，各CMG在期望力矩方向投影为最大值，系统总角动量到达角动量包络。

内部奇异内部奇异又称构型奇异，对应符号有“-”状态，系统总角动量在角动量包络内部。

231.4控制力矩陀螺奇异1.4.3控制力矩陀螺奇异分类2015/12/28（）ghh（）ghC（）mxx（）mxC241.4控制力矩陀螺奇异1.4.3控制力矩陀螺奇异分类2015/12/281h2h3h4h1hu2hu3hu4hughuxzo金字塔构型SGCMG饱和奇异示意图251.4控制力矩陀螺奇异可视化CMG奇异特性的可视化有助于构型选取、奇异回避等以金字塔以金字塔CMG构型为例，奇异面分为构型为例，奇异面分为4H奇异面：

奇异面：

14符号全“符号全“+”2H奇异面：

奇异面：

14符号有一个“符号有一个“-”0H奇异面：

奇异面：

14符号有一个“符号有一个“+”2015/12/28261.4控制力矩陀螺奇异度量在设计操纵律时，需要根据当前在设计操纵律时，需要根据当前CMG系统的奇异状况决策，即系统的奇异状况决策，即需要一种度量来评价系统奇异程度需要一种度量来评价系统奇异程度。

常用的奇异度量有：

1、d=det（CCT）2、min（i）2015/12/28力矩包络椭球力矩包络椭球123nuC框架角速度空间框架角速度空间271.4控制力矩陀螺奇异度量典型矩阵奇异值2015/12/281000100011000.60100.800101000100011.414200010001100.6010.8000100010.8000.61.3400010000.441.170001000028如何应对控制力矩陀螺奇异？

1）设计设计冗余度较大的冗余度较大的CMG，可有效避免奇异带来的影响，可有效避免奇异带来的影响2）设计设计高效的高效的CMG操纵律操纵律，即根据给定期望力矩合理分配各，即根据给定期望力矩合理分配各CMG框架角速度框架角速度2015/12/2829主要内容2015/12/28控制力矩陀螺工作特性与奇异控制力矩陀螺工作特性与奇异控制力矩陀螺操纵律控制力矩陀螺操纵律302控制力矩陀螺操纵律根