[发明专利]一种冗余飞轮组的动态力矩分配与角动量跟踪控制方法

说明书

本发明涉及一种冗余飞轮组动态力矩分配与角动量跟踪控制方法，属于卫星姿态机动控制技术领域。本发明根据飞轮组的角动量储备以及机动过程中各飞轮实时角动量动态分配飞轮驱动电压，使得冗余飞轮组在所有飞轮都达到饱和前总是工作于不饱和状态，保证了机动力矩的持续、平稳输出，飞轮组的全部角动量能够获得充分的利用；另一方面，针对轴承摩擦、风阻以及电机损耗力矩等扰动因素，提出了一种角动量反馈跟踪控制技术，使力矩轮能够工作在速率轮的模式下，克服了角动量漂移问题，确保飞轮在大角度机动过程中准确跟踪期望角动量。

技术领域

本发明涉及一种冗余飞轮组动态力矩分配与角动量跟踪控制方法，属于卫星姿态机动控制技术领域。

背景技术

如图1、2所示，为了有效提升卫星侧摆机动的敏捷性，卫星沿滚动轴(X 轴)安装了多台大力矩飞轮。为了确保大力矩飞轮力矩输出的平稳性，一般将飞轮角动量偏置在某个设定的中间值，以避开飞轮转速接近零与饱和两种特性复杂的状态。然而，当进行姿态机动时，若不作合理的力矩分配，某些飞轮将过早出现饱和，从而影响机动过程的平稳性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有力矩分配技术的不足，提出一种冗余飞轮组动态力矩分配与角动量跟踪控制方法，通过飞轮驱动电压的动态分配以及角动量反馈跟踪控制，保证了机动力矩的持续、平稳输出，飞轮组的全部角动量能够获得充分的利用。

本发明的技术解决方案是：一种冗余飞轮组的动态力矩分配与角动量跟踪控制方法，包括如下步骤：

(1.1)根据冗余飞轮组的偏置角动量，计算飞轮组的角动量储备；

(1.2)确定飞轮极限角动量；

(1.3)确定各飞轮的极限角动量后，即可求得任意时刻t各飞轮角动量储备ΔH_i(t)及整个飞轮组的角动量储备：

(1.4)计算得到t时刻第i个飞轮的驱动电压U_i；

(1.5)对飞轮输出力矩按控制周期ΔT进行数值积分

(1.6)计算得到角动量保持电压U_keepi：

U_keepi＝-k_p(H_i-H_i0)-k_i∫(H_i-H_i0)dt

其中k_p为比例控制系数，k_i为积分控制系数；

(1.7)获得飞轮控制电压U_i`＝U_i+U_keepi，发给飞轮进行飞轮的力矩输出与飞轮的角动量跟踪控制。

所述步骤(1.1)的具体过程为：

设冗余飞轮组由n≥2个绕机动轴共轴安装的大力矩飞轮组成，飞轮i 具有偏置角动量H_i，且H₁+H₂+…+H_n＝0。

所述步骤(1.2)的具体过程为：若飞轮在机动过程中允许转速过零，则飞轮的角动量极限能够到达正向或者负向的最大标称角动量H_max，则飞轮极限角动量按机动方向确定：

若飞轮转速不允许过零，则由飞轮的角动量偏置极性及姿态机动方向确定；

正向机动时，当飞轮偏置角动量也为正时，飞轮角动量应往负向输出，其极限角动量为0；反之，若飞轮偏置角动量为负时，则该飞轮极限角动量为负的最大角动量：

反向机动时，飞轮极限角动量为：