為了驗(yàn)證以反作用輪為執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)機(jī)動(dòng),完成微納衛(wèi)星對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的可行性,設(shè)計(jì)了基于單軸氣浮臺(tái)的微納衛(wèi)星光電跟蹤物理仿真系統(tǒng)。首先,為提高物理仿真系統(tǒng)的性能,分別對(duì)反作用輪和氣浮臺(tái)的干擾力矩進(jìn)行分析;其次,針對(duì)反作用輪存在的干擾力矩和加、減速時(shí)間常數(shù)不對(duì)稱的問題,設(shè)計(jì)了增益調(diào)度和力矩補(bǔ)償相結(jié)合的反作用輪控制策略;再其次,采用雙閉環(huán)-速度前饋的控制結(jié)構(gòu),完成了微納衛(wèi)星光電跟蹤物理仿真系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì);最后,為了驗(yàn)證仿真系統(tǒng)的跟蹤性能,對(duì)作正弦運(yùn)動(dòng)的一維靶標(biāo)進(jìn)行跟蹤。實(shí)驗(yàn)表明:對(duì)于跟蹤最大速度為9 (°)/s、最大角加速度為4.5 (°)/s~2的正弦運(yùn)動(dòng)靶標(biāo),物理仿真平臺(tái)的跟蹤精度達(dá)到0.4°,從而說明以反作用輪為執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)機(jī)動(dòng),微納衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤。
【部分圖文】：

瓿晌錮矸掄嫦低車南低匙?成設(shè)計(jì)；其次，分析物理仿真系統(tǒng)的干擾力矩；然后，針對(duì)擾動(dòng)依次設(shè)計(jì)飛輪本體控制策略、微納衛(wèi)星光電跟蹤物理仿真系統(tǒng)的控制系統(tǒng)；最后，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。1物理仿真系統(tǒng)組成微納衛(wèi)星光電跟蹤物理仿真系統(tǒng)是地面仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于驗(yàn)證反作用輪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來調(diào)整衛(wèi)星本體姿態(tài)實(shí)現(xiàn)星載光學(xué)載荷對(duì)目標(biāo)跟蹤與瞄準(zhǔn)的可行性。在該物理仿真系統(tǒng)中，不考慮三軸耦合效應(yīng)，認(rèn)為三軸間是相互獨(dú)立，只研究某一軸的姿態(tài)跟蹤。微納衛(wèi)星光電跟蹤物理仿真系統(tǒng)示意圖如圖1所示。圖1微納衛(wèi)星光電跟蹤物理仿真系統(tǒng)示意圖Fig.1Diagramofphotoelectrictrackingphysicalsimulationsystemformicro-nanosatellites單軸氣浮臺(tái)在該系統(tǒng)中既是微重力模擬裝置，又是物理仿真的支撐平臺(tái)與整星模擬平臺(tái)。通過單軸氣浮臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，來模擬整星在空間的姿控狀態(tài)。氣浮臺(tái)的臺(tái)面水平以及臺(tái)面平衡調(diào)整的精度決定了物理仿真結(jié)果的精度和可靠性[9]。反作用輪是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出動(dòng)量和通過加減速輸出反作用力矩。假設(shè)整星系統(tǒng)不受外部力矩或者所受合力矩為零，某時(shí)刻t0、整星角速度和反作用輪角速度關(guān)系可表示為：Jsωs0+Jwωw0=C(1)式中：Js、Jw分別為整星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和反作用輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωs、ωw分別為t0時(shí)刻整星角速度和反作用輪角速度；C為常數(shù)。

溝牡ブ崞釱√ǎ噱艿接善鈅逭承?引起的粘滯阻尼力矩[16]為：Md=πμθ夦r412δ3r2r1幱幱4+4lr1-幱幱3(11)式中：μ為氣體粘性系數(shù)；δ表示的是氣膜的厚度；表示氣浮臺(tái)轉(zhuǎn)角速度；r1、r2分別為徑向軸承和止推軸承的外徑；l表示徑向軸承的長度。公式(11)表明，粘滯阻尼力矩僅與氣浮軸承的幾何參數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)氣浮平臺(tái)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1反作用輪控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了抑制反作用輪內(nèi)部干擾力矩的影響，使輸出力矩更好地復(fù)現(xiàn)指令力矩，采用速率反饋對(duì)干擾力矩進(jìn)行補(bǔ)償�；谒俾史答伭匮a(bǔ)償飛輪控制系統(tǒng)組成圖[17]如圖2所示。微納衛(wèi)星跟蹤需要反作用輪通過加、減速輸出圖2基于速率反饋力矩補(bǔ)償飛輪控制系統(tǒng)示意圖Fig.2Sketchofflywheelcontrolsystembasedonratefeedbackfortorquecompensation力矩驅(qū)動(dòng)，所以在本物理仿真系統(tǒng)中更著重于反作用輪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。其中，反作用輪的加速、減速系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)τ越小，輸出力矩越大；飛輪的加速、減速系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)τ的正、反轉(zhuǎn)對(duì)稱性也是一項(xiàng)重要特性。反作用輪的工作區(qū)分為正向加速區(qū)、反向加速區(qū)、正向減速區(qū)、反向減速區(qū)四個(gè)象限。反作用輪輸出力矩特性如圖3所示。針對(duì)反作用輪加速、減速過程系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)τ不對(duì)稱問題，采用增益調(diào)度控制方式來提高控制精度。增益調(diào)度控制如圖4所示，在反作用輪的四個(gè)工作區(qū)間分別設(shè)計(jì)四個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)，四個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)根據(jù)調(diào)度策略進(jìn)行切換。(a)理想輸出力矩特性(b)不對(duì)稱輸出力矩特性(a)Idealcharacteristicof(b)Asymmetriccharacteristicofoutputtorqueoutputtorque圖3反作用輪輸出力矩特性Fig.3Outputtorquecharacteristicsofreactionwheel

紅外與激光工程第10期www.irla.cn第48卷1013003-5圖4增益調(diào)度控制方法示意圖Fig.4Schematicdiagramofgainschedulingcontrolmethod將基于速率反饋的力矩補(bǔ)償和增益調(diào)度相結(jié)合，設(shè)計(jì)了如圖5所示的反作用輪控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)既補(bǔ)償了干擾力矩，同時(shí)也解決了反作用輪加減速時(shí)間常數(shù)不對(duì)稱問題。圖5反作用輪控制系統(tǒng)方框圖Fig.5Blockdiagramofreactionwheelcontrolsystem圖5中，L、R分別為飛輪電機(jī)的電感和電阻；KT、K贊T分別為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)及其估計(jì)值；Ke為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；Jw、J贊w分別為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其估計(jì)值；α、β分別為電流環(huán)的反饋系數(shù)和速度環(huán)的反饋系數(shù)；T*、TR、Te、Tf分別為反作用輪控制系統(tǒng)的輸入指令力矩、反作用力矩、電磁轉(zhuǎn)矩、飛輪內(nèi)部干擾力矩；ω*、ω分別為速度環(huán)的給定角速度和實(shí)際速度；I*、I分別為電流環(huán)的指令電流、和電樞電流；uc、ue分別為電樞電壓和反動(dòng)電勢(shì)；Gv(s)、Gi(s)分別為速度環(huán)控制器的傳遞、電流環(huán)控制器傳遞函數(shù)；S(·)為增益調(diào)度策略。若采用飛輪速度ω及其微分ω夦做調(diào)度變量，則S(ω，ω夦)是關(guān)于ω和ω夦的函數(shù)。根據(jù)圖5可以寫出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：TRT*=-Kw(J贊ws+K贊TGvn(s))Gi(s)LJws2+(LRJw+αJwGi(s))s+βKTGi(s)Gvn(s)+KeKT式中：Gvn(s)為速度環(huán)第n(n=1，2~4)個(gè)控制器的傳遞函數(shù)。Kw為：Kw=JwKTJ贊wK贊T3.2微納衛(wèi)星光電跟蹤物理仿真系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于反作用輪驅(qū)動(dòng)的氣浮臺(tái)模擬微納衛(wèi)星，其跟蹤控制系統(tǒng)采用速度前饋補(bǔ)償?shù)碾p閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。圖6模擬微納衛(wèi)星整星控制系統(tǒng)方框圖Fig.6Blockdiagramofanalogmicro-nanosatellitewhole-starcontrolsystem圖6中，θs*、θs分別為姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)位置環(huán)給定角位置、輸出角位置；ωs*、ωs

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