第六章 基于控制力矩陀螺的航天器姿態(tài)控制

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1、第六章第六章基于控制力矩陀螺的姿基于控制力矩陀螺的姿態(tài)控制態(tài)控制§6.1控制力矩陀螺類型§6.2SGCMG構(gòu)型及操縱律§6.3SGCMG動(dòng)量管理策略§6.4姿態(tài)控制/動(dòng)量管理算法§§6.16.1控制力矩陀螺類型控制力矩陀螺類型??雙框架控制力矩陀螺雙框架控制力矩陀螺ò兩個(gè)自由度ò結(jié)構(gòu)復(fù)雜ò輸出力矩較小ò動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差??單框架控制力矩陀螺單框架控制力矩陀螺ò一個(gè)自由度ò結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單ò輸出力矩大ò動(dòng)態(tài)響應(yīng)好§§6.2SGCMG6.2SGCMG構(gòu)型與操縱律構(gòu)型與操縱律6.2.1SGCMG工作原理6.2.2SGCMG系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)奇異與回避6.2.

2、3SGCMG系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)6.2.4SGCMG系統(tǒng)操縱律6.2.16.2.1SGCMGSGCMG工作原理工作原理?SGCMG結(jié)構(gòu)組成ò框架ò恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子?單個(gè)SGCMG產(chǎn)生的力矩τ=σ&(g×h)ggσ&σ&σ&()g×h90°σ&()g×hσhh6.2.16.2.1SGCMGSGCMG工作原理工作原理?n個(gè)SGCMG的合成角動(dòng)量nh(σ1,L,σn)=∑hi(σi)h=f(σ)i=1?n個(gè)SGCMG產(chǎn)生的合力矩&τσ=J()σJ(σ)=?f(σ)?σJJJ()[,,]σ=L1nJd()σσ=hd()σiiiii6.2.26.2.

3、2SGCMGSGCMG系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)奇異與回避系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)奇異與回避?奇異的產(chǎn)生機(jī)理ò當(dāng)SGCMG系統(tǒng)達(dá)到某特定的框架角組合時(shí)，所有SGCMG產(chǎn)生的力矩位于一個(gè)平面內(nèi),而在此平面的法線方向上，不能產(chǎn)生力矩，則可以說(shuō)相對(duì)于該平面的法線方向，SGCMG系統(tǒng)產(chǎn)生了奇異。?奇異狀態(tài)的定義òSGCMG系統(tǒng)的奇異狀態(tài)是指這樣一組框架角組合σ，滿足ss?J(σ)=0，i=1,???,n,其中為奇異方向。isò奇異與Jacobi陣降秩之間的關(guān)系6.2.26.2.2SGCMGSGCMG系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)奇異與回避系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)奇異與回避?飽和奇異ò當(dāng)SGCMG系統(tǒng)的框架角組

4、合使得系統(tǒng)角動(dòng)量處于角動(dòng)量包絡(luò)上時(shí)，SGCMG系統(tǒng)不能再提供力矩。?內(nèi)部奇異ò奇異狀態(tài)對(duì)應(yīng)的角動(dòng)量位于角動(dòng)量包絡(luò)的內(nèi)部ò橢圓型奇異?不能被零運(yùn)動(dòng)回避ò雙曲型奇異?可被零運(yùn)動(dòng)回避6.2.26.2.2SGCMGSGCMG系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)奇異與回避系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)奇異與回避?能被零運(yùn)動(dòng)回避的含義ò在某個(gè)奇異狀態(tài)，存在零運(yùn)動(dòng)，使得系統(tǒng)在零運(yùn)動(dòng)的作用下，由奇異狀態(tài)重構(gòu)到非奇異狀態(tài)，而角動(dòng)量不變。ò包含兩層意思?在零運(yùn)動(dòng)作用下，非奇異狀態(tài)是可達(dá)的，即SGCMG系統(tǒng)可由零運(yùn)動(dòng)連續(xù)地把奇異狀態(tài)重構(gòu)到非奇異狀態(tài)；?施加的零運(yùn)動(dòng)可以影響Jacobi陣的秩，即使其秩增

5、加。?零運(yùn)動(dòng)的存在性判別ò對(duì)任意的SGCMG系統(tǒng)，在某一奇點(diǎn)的適當(dāng)鄰域內(nèi)，考察矩陣Q=NTPN,如果Q定號(hào)，則在該奇點(diǎn)的鄰域內(nèi)不存在零運(yùn)動(dòng)，該奇點(diǎn)為橢圓型奇點(diǎn)；反之，存在零運(yùn)動(dòng)，為雙曲奇點(diǎn)6.2.26.2.2SGCMGSGCMG系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)奇異與回避系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)奇異與回避?奇異測(cè)度ò表征框架角狀態(tài)與奇異狀態(tài)間的距離ò奇異測(cè)度為定義在n維空間(框架角空間)上的非負(fù)函數(shù)，當(dāng)框架角狀態(tài)與奇異狀態(tài)間的距離增大時(shí)，奇異測(cè)度應(yīng)增大；反之，應(yīng)減小。ò常用的奇異測(cè)度TmJ()σ=det(J)mJ()σ=μ()minmc()σ=ond()J22i,,,j=

6、1LnmJ()σ=×∑(ijJ)ij<6.2.36.2.3SGCMGSGCMG系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)構(gòu)型設(shè)計(jì)?構(gòu)型的基本要素òSGCMG的數(shù)量、構(gòu)型、SGCMG的角動(dòng)量及框架角速率?構(gòu)型設(shè)計(jì)需考慮的問(wèn)題ò滿足系統(tǒng)任務(wù)所需的動(dòng)量和輸出力矩要求(構(gòu)形效率)；ò奇異面的復(fù)雜度要求；ò可靠性要求等等。?常見構(gòu)型ò正棱錐型ò正棱錐加軸型ò成對(duì)安裝型6.2.36.2.3SGCMGSGCMG系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)構(gòu)型設(shè)計(jì)zzzyyyxxx正三棱錐加軸構(gòu)型正四棱錐構(gòu)型雙平行安裝構(gòu)型6.2.36.2.3SGCMGSGCMG系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)構(gòu)型設(shè)計(jì)zzyyxx正

7、四棱錐加軸構(gòu)型正五棱錐構(gòu)型6.2.36.2.3SGCMGSGCMG系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)構(gòu)型設(shè)計(jì)zzzyyyxxx正五棱錐加軸構(gòu)型正六棱錐構(gòu)型三平行安裝構(gòu)型6.2.36.2.3SGCMGSGCMG系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)構(gòu)型設(shè)計(jì)?相同類型構(gòu)型，不同SGCMG個(gè)數(shù)?相同SGCMG個(gè)數(shù)，不同SGCMG構(gòu)型6.2.36.2.3SGCMGSGCMG系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)構(gòu)型設(shè)計(jì)?隨著SGCMG個(gè)數(shù)的增多，不含橢圓奇點(diǎn)的角動(dòng)量空間的體積逐漸增大。?SGCMG構(gòu)型的對(duì)稱性越好，其角動(dòng)量包絡(luò)越大，不含橢圓奇點(diǎn)的角動(dòng)量空間的體積越大。?成對(duì)安裝構(gòu)型的構(gòu)型效益最差，但

8、其角動(dòng)量包絡(luò)及不含橢圓奇點(diǎn)的角動(dòng)量空間的包絡(luò)的幾何形狀簡(jiǎn)單，便于操縱律的設(shè)計(jì)。6.2.46.2.4SGCMGSGCMG系統(tǒng)系統(tǒng)操縱律操縱律卸載卸載控制律執(zhí)行機(jī)構(gòu)牽連力矩+姿態(tài)姿態(tài)檢測(cè)誤差姿態(tài)控制力矩SGCMG操縱框架機(jī)構(gòu)SGCMG指令計(jì)算信號(hào)算法指