[发明专利]一种开环控制反作用轮转速变化及卸载方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天控制技术领域，尤其涉及一种开环控制反作用轮转速变化及卸载方法。

背景技术

反作用轮是卫星常用执行机构，由于卫星姿态精度要求越来越高，卫星寿命要求也越来越高，因此反作用轮在进行姿态控制时，将其控制在最佳工作转速附近工作，避免转速过零产生干扰影响姿态精度，同时提高寿命。

采用4个飞轮进行姿态控制，可将飞轮偏置在标称转速附近形成整星零动量，对于力矩控制模式反作用飞轮在摩擦力矩的作用下转速会下降，当四个反作用轮转速同时下降时，也可以保证姿态稳定和整星零动量，即无法通过姿态闭环反馈的方式保持飞轮转速，因此要保持飞轮在标称转速附近需要对每个飞轮进行摩擦补偿，但由于每个飞轮的摩擦力矩不同，补偿力矩导致飞轮标称转速不同，影响飞轮的姿态控制。另外，空间环境干扰力矩会导致飞轮偏离标称转速，通常通过磁力矩器卸载抵消干扰，确保飞轮工作在标称转速附近。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种开环控制反作用轮转速变化及磁力矩器卸载方法，包括如下步骤：步骤一，采用包括第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮和第四飞轮的四个飞轮进行控制，并将第四飞轮的反作用轮控制力矩指令大小调整至与理论标称转速摩擦力矩大小一致；步骤二，将控制器输出控制指令限幅在最大输出力矩，并按照第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮顺序构成的飞轮分配矩阵分配每个飞轮的控制力矩，分配后将输出力矩最大的飞轮限幅在最大力矩，并将其它两个飞轮的控制力矩成比例缩放，得到三个飞轮控制力矩；步骤三，计算四个反作用轮合成角动量，任意轴角动量达到卸载阈值范围内，并符合卸载时磁场强度和角动量夹角关系时，启动磁力矩器卸载；步骤四，选择卸载能力最大的方向上的磁力矩器工作，采用开关控制方式，对飞轮进行卸载。

本发明的优点在于，利用开环方式仅对一个飞轮进行摩擦补偿，该飞轮不参与姿态控制，其它三个飞轮进行姿态控制，由于角动量守恒，全部飞轮均保持在标称转速附近。该方法控制简单，通过调整补偿摩擦力矩的大小还可以控制飞轮工作标称转速，使用灵活方便。

空间环境干扰力矩产生角动量累积导致飞轮转速偏离标称值，通过磁力矩器卸载可以抵消干扰力矩影响。本发明采用内源场作为磁卸载的参考磁场，无需安装磁强计，简化了卫星的硬件配置；同时在充分分析内、外源场的基础上设计卸载控制器的阈值保证卸载控制的正确性；另外采用开关控制方式控制磁力矩器工作，大大简化了驱动控制电路的设计。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中飞轮的卸载判断条件的判断逻辑图；

附图2是本发明具体实施方式的方案在高轨卫星的应用实施例中卸载策略计算磁力矩器控制指令流程图；

附图3是本发明具体实施方式的方案在高轨卫星的应用实施例中卫星在轨反作用轮转速曲线图；

附图4是本发明具体实施方式的方案在高轨卫星的应用实施例中卫星姿态曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的方法的具体实施方式做详细说明。

步骤一，采用包括第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮和第四飞轮的四个飞轮进行控制，并将第四飞轮的控制力矩指令大小调整至与理论标称转速摩擦力矩大小一致。

本步骤中，根据第四飞轮标称转速得到摩擦力矩T_f4，对其进行摩擦力矩补偿，得到反作用轮控制指令T_wc4：

T_wc4＝-T_f4

以及反作用轮力矩控制电压：

U_wc4＝T_wc4/k_i4

其中，k_i4为第四飞轮力矩系数。

在轨时可以根据第四飞轮转速变化增大或减小摩擦力矩，调整飞轮的标称转速范围。

步骤二，将控制器输出控制指令限幅在最大输出力矩，并按照第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮顺序构成的飞轮分配矩阵分配每个飞轮的控制力矩，分配后将输出力矩最大的飞轮限幅在最大力矩，并将其它两个飞轮的控制力矩成比例缩放，得到三个飞轮控制力矩。

步骤二中，第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮安装矩阵C_u，将反作用轮的安装矩阵C_u求逆，可得到对应的反作用轮分配矩阵C_P。

首先生成反作用轮控制指令T_wc。由反作用轮控制器控制指令T_c，限幅在±0.075Nm(飞轮最大输出力矩)内。