[发明专利]基于变惯量流速调节控制器的航天器姿态控制方法及其执行机构

权利要求书

1.一种基于变惯量流速调节控制器的航天器姿态控制执行机构，包括主环充液环形管、主环压力泵、贮油箱、阀门、主环出液连管、主环回液连管、变环充液环形管、变环压力泵、变环出液连管、变环回液连管和控制机构；

贮油箱外接主环出液连管、变环出液连管、主环回液连管和变环回液连管的一端；主环出液连管的另一端连接主环压力泵，变环出液连管的另一端连接变环压力泵；主环充液环形管一端连接主环压力泵，另一端连接主环回液连管；变环充液环形管一端连接变环压力泵，另一端连接变环回液连管；贮油箱顶部设有阀门，阀门通过管路连接到航天器的液体燃料贮箱；主环充液环形管、主环压力泵、贮油箱、阀门、主环出液连管、主环回液连管构成一个流动回路；变环充液环形管、变环压力泵、贮油箱、阀门、变环出液连管、变环回液连管构成另一个流动回路；控制机构用于控制主环压力泵和变环压力泵。

2.根据权利要求1所述的一种基于变惯量流速调节控制器的航天器姿态控制执行机构，三个执行机构，分别安装在航天器相互垂直的三个轴上，即X轴、Y轴和Z轴。

3.一种基于变惯量流速调节控制器的航天器姿态控制方法，具体步骤如下：

步骤1、通过航天器的姿态敏感器，得到航天器姿态参数，根据当前姿态与期望姿态的差值，通过李亚普诺夫方法，得到航天器所需的三轴控制力矩矢量T_C＝[T_C1T_C2T_C3]^T，其中，T_Ci表示第i个轴的控制力矩，i=1，2，3，分别对应航天器的X轴，Y轴和Z轴；

步骤2、将三个执行机构安装在航天器相互垂直的三个轴上时，航天器与执行机构对航天器质心的总动量矩H为：

H＝Iω+H_v

其中：I表示航天器的总转动惯量，ω表示航天器的角速度；

执行机构对航天器质心的动量矩Hv=Hv1Hv2Hv3=Ivv1β1+pv1Ivv1βpv1Ivv2β2+pv2Ivv2βpv2Ivv3β3+pv3Ivv3βpv3;]]>

H_vi表示第i个执行机构对航天器质心的动量矩；

I_vvi表示第i个执行机构中主环充液环形管或者变环充液环形管的转动惯量，其中，i=1，2，3，分别对应航天器的X轴，Y轴和Z轴安装的执行机构；

p_vi表示第i个执行机构中变环充液环形管的控制系数，取值为0或者1，其中，i=1，2，3，分别对应航天器的X轴，Y轴和Z轴安装的执行机构；

三个主环充液环形管中液体燃料流动角速度为β＝[β₁ β₂ β₃]^T，β_i表示第i个主环充液环形管中液体燃料流速，其中，i=1，2，3，分别对应航天器的X轴，Y轴和Z轴安装的执行机构；

三个变环充液环形管中液体燃料流动角速度为β_pv＝[β_pv1 β_pv2 β_pv3]^T，β_pvi表示第i个变环充液环形管中液体燃料流动角速度，其中，i=1，2，3，分别对应航天器的X轴，Y轴和Z轴安装的执行机构；

步骤1中得到了航天器所需的三轴控制力矩矢量T_C＝[T_C1T_C2T_C3]^T，依据动量矩定理可知表示执行机构的动量矩变化率，将执行机构的动量矩变化率投影到航天器的X轴、Y轴、Z轴上，得到H.v=H.v1H.v2H.v3T,]]>表示动量矩变化率在第i轴上的投影，其中，i=1，2，3，分别对应航天器的X轴，Y轴和Z轴；

步骤3、根据执行机构对航天器质心的动量矩Hv=Ivv1β1+pv1Ivv1βpv1Ivv2β2+pv2Ivv2βpv2Ivv3β3+pv3Ivv3βpv3,]]>那么执行机构的动量矩H_v的变化率H.v=H.v1H.v2H.v3T]]>应表示为：

H.v1H.v2H.v3T=Ivv1β.1+pv1Ivv1β.pv1Ivv2β.2+pv2Ivv2β.pv2Ivv3β.3+pv3Ivv3β.pv3]]>

通过上述关系，得到航天器姿态调整要求的控制力矩T_C将分别由三个方向安装的执行机构提供，每个方向上的执行机构都有主环充液环形管和变环充液环形管协同工作，在工作过程中，是否需要使用变环充液环形管辅助主环充液环形管工作，通过变环充液环形管的控制系数确定，当p_vi取值为0，变环充液环形管不工作，当p_vi取值为1，变环充液环形管协助主环充液环形管产生要求的执行机构动量矩变化值，主环充液环形管与变环充液环形管的力矩分配则根据如下的加权操纵方法决定：

令：

C=diag{I_vv1 I_vv2 I_vv3 p_v1I_vv1 p_v2I_vv2 p_v3I_vv3}，

θ＝[β₁ β₂ β₃ β_pv1 β_pv2 β_pv3]^T，

将执行机构需提供控制力矩表示为根据加权广义逆定理得到的加权最小范数解式中P_v=diag(P_v1 P_v2 P_v3 P_pv1 P_pv2 P_pv3)，为加权矩阵，P_v1、P_v2、P_v3分别为的加权系数，取值为1，P_pv1、P_pv2、P_pv3分别为的加权系数；

利用的加权最小范数解分配主环充液环形管和变环充液环形管所承担的力矩；在的加权最小范数解中，变环充液环形管的加权系数和控制系数，与主环充液环形管的液体燃料流速关系为：

Ppvi=0,pvi=0|βi|<βmaxPpvi=Pv0(1-|βpvi|/βmax),pvi=1|βi|≥βmax---(1)]]>

式中：i=1，2，3，分别对应航天器的X轴，Y轴和Z轴安装的执行机构；

P_v0为正的标量参数，β_max为正的转速门限值；当主环充液环形管内液体燃料的流动角速度|β_i|<β_max时，变环压力泵不工作，其内的液体燃料不运动，只由主环充液环形管提供控制力矩；当|β_i|≥β_max时，变环压力泵工作，变环充液环形管内液体燃料运动，从而承担一部分力矩，实现变环充液环形管的控制；

步骤4、根据主环充液环形管内切向速度与流动角速度的关系，得到主环充液环形管中液体燃料流动角速度β_i与主环充液环形管中液体燃料流动时沿管切向的速度矢量τ_i的关系：β_i＝τ_i·R，R为主环充液环形管的半径；再根据变环充液环形管内切向速度与流动角速度的关系，得到变环充液环形管中液体燃料流动角速度β_pvi与变环充液环形管中液体燃料流动时沿管切向的速度矢量τ_pvi的关系：β_pvi＝τ_pvi·R，R为变环充液环形管的半径；

根据得到T_C与主环充液环形管中液体燃料流动时沿管切向的速度矢量τ_i的变化率以及变环液体燃料流动时沿管切向的速度矢量τ_pvi的变化率之间的关系由此可得主环速度矢量τ_i的变化率以及变环速度矢量τ_pvi的变化率

步骤5、执行机构中主环压力泵、变环压力泵的电流或者电压控制器收到控制机构的信号，根据所需变化率的要求，控制主环压力泵的输出功率，对主环充液环形管内的液体燃料做功，使其流速τ_i改变；根据所需变化率的要求，控制变环压力泵的输出功率，对变环充液环形管内的液体燃料做功，使其流速τ_pvi改变；主环充液环形管、变环充液环形管内的液体燃料受到压力泵的作用，运动速度改变，对航天器质心的角动量H_vi改变，则执行机构对航天器产生的控制力矩T_i改变，T_i表示第i个执行机构对航天器产生的实际控制力矩，i=1，2，3，分别对应航天器的X轴，Y轴和Z轴安装的执行机构；

步骤6、根据动量守恒定理，航天器受到执行机构对航天器产生的控制力矩T=[T₁ T₂ T₃]^T的作用，姿态改变，其改变后的姿态通过敏感器测量与期望姿态进行比较，重新回到步骤1；

通过不断地循环步骤1至6，并实时调整航天器所需要的姿态控制力矩，最终达到使航天器姿态与期望姿态重合的控制效果。