卫星储能/姿控两用飞轮在能量回馈状态下的姿态控制问题研究
详细信息    本馆镜像全文|  推荐本文 |  |   获取CNKI官网全文
摘要
在现今世界上大多数国家发射的长寿命、高精度、高稳定度三轴姿态稳定卫星中,飞轮都是一个重要的必不可少的执行部件。利用飞轮进行姿态控制有着原始的喷气式姿态控制无法比拟的优越性,它不仅节省燃料、减小卫星体重、可靠性高,而且无污染、长寿命,现在越来越多的国家采用飞轮对卫星进行姿态控制。飞轮储能是一种高效的新型储能技术,它已经在电力系统、UPS、混合动力机车等领域获得了成功的应用。随着飞轮技术、电力电子技术、智能控制技术的飞速发展,利用高速飞轮系统同时实现卫星的能量储存和姿态控制成为可能。这对于提高卫星的总体性能有着显著的意义,因而得到了航空航天部门的高度重视,并且成为该研究方向的前沿课题。本课题涉及到国家“863”项目——“轻型储能/姿控一体化飞轮技术研究”,是一个探索性的预研课题。
     本课题主要是对卫星储能/姿控两用飞轮的控制系统进行探讨,研究在飞轮储能系统能量回馈状态下,储能系统对卫星的姿态控制系统产生的扰动以及在该扰动作用下的卫星的姿态控制问题。
     本文采用无刷直流电机驱动飞轮系统,分析了飞轮储能、能量回馈、姿态控制和姿态测量的原理;建立了在飞轮储能作用下的无刷直流电机的数学模型、惯性姿态敏感器陀螺的数学模型、刚体卫星的姿态控制动力学和运动学模型、在飞轮储能扰动下的卫星的姿态控制模型;研究了无刷直流电机的双闭环调速控制系统、飞轮储能能量回馈线路系统和陀螺系统的驱动电源。由于目前采用的三轴双向飞轮储能/姿态控制系统是一个复杂的非线性、强耦合、多输入多输出和参数不确定系统,因此我们应用经典的PID控制理论结合智能控制算法—模糊逻辑控制建立了飞轮储能系统运行时对卫星的姿态控制系统产生扰动作用下的姿态控制模型,通过模型的建立和研究,利用仿真软件Matlab对系统进行了模拟仿真。结果证明了通过控制理论新方法可以减小飞轮储能系统对卫星姿态的扰动作用。
     通过对本课题的研究,使得在卫星上应用飞轮储能系统成为可能,这样
Nowadays , flywheel is an important and absolutely necessary implement part in long-life、 high precision、 high stabilization tri-axes attitude stabilization satellites which were launched in most countries. Making use of flywheel doing attitude control has unassimilated superiority to the original jet attitude control. It is not only saving fuek minishing satellite avoirdupois、 high-reliability, but also unpollution、 long-life. Then ,more and more countries have made use of flywheel doing attitude control. Flywheel energy storage which was applied successfully in many fields (such as electric power system、 UPS、 mix-power motorcycle, etc) is a high effect and new type energy storage technology. With the flying development of flywheel technology、 power electronics technology、 intelligent control technology, integrating satellite energy storage and attitude control which making use of high speed flywheel system grows to maturity. This has remarkable meaning to advancing satellite performance in the mass, then attached high importance by the aviation and spaceflight departments and become a preceding problem in the way of this research. This problem whichcomes down to national "863"item--"the research of light-duty flywheel inenergy storage and attitude control technology", is a search before-study task.The master task of this paper is to discussing the control system of satellite energy storage and attitude control double-duty flywheel, researching the troubles arose by energy storage system in satellite attitude control system and the satellite attitude control problem in the state of flywheel energy feedback. This task adopts flywheel system which is droved by BLDCM (brushless direct current motor), analyses the theory of flywheel energy storage、 energy feedback、 attitude control and attitude measure, based the math model of flywheel energy
    
    storage system、 the math model of gyro、 the model of rigid body satellite attitude control dynamics and kinematics 、 the model of satellite attitude control in the state of troubles, studying the double-closed loop timing control system of BLDCM、 energy feedback circuitry system and the drive power supply of gyro system. Because tri-axes double-direction flywheel energy storage & attitude control system is a complicated、 nonlinearity 、 strong-coupling、 MIMO and uncertainty parameter system, then this paper bases the model of satellite attitude control in the state of flywheel energy feedback troubles applying classical PID control system and fuzzy logic control, analyses the model, emulates system by Matlab. The result proves that the troubles aroused by flywheel energy storage system are minished by control theory new ways.By researching the paper, flywheel energy storage system is applied in satellite will to be true. That Flywheel energy storage system substitutes for accumulator will minish volume and weight of satellite and advance performance and payload capability of satellite. That is significance to the development of satellite technology.
引文
[1] 国外储能飞轮研究与发展概述.北京:清华大学工程物理系飞轮储能实验室.2001
    [2] 蒋书运等.飞轮储能技术研究的发展现状.北京:太阳能学报.Vol.21 No.4.427-433
    [3] 胡小军,董明晶.飞轮储能技术的新进展.重庆:新能源.1999.21(4)1-9
    [4] T.Floquet, W.Perruquetti and J.P.Barbot.Angular Velocity Stabilization of a Rigid Body Via VSS Control. Journal of Dynamics Systems, Measurement and Control.Vol.122 December 2000.
    [5] Ying-Yuh Lin and Gern-Lin. General Attitude Maneuvers of Spacecraft with Flexible Structures. Journal of Dynamics Systems, Measurement and Control. Vol.18 No.2.1995.
    [6] Alok Sinha and David W.Miller. Optimal Sliding-Mode Control of a Flexible Spacecraft Under Stochastic Disturbances. Journal of Guidance, Control and Dynamics. Vol.18 No.3.1995.
    [7] Shih-Che Lo and Yon-Ping Chen. Smooth Sliding-Mode Control for Spacecraft Attitude Tracking Maneuvers. Journal of Guidance, Control and Dynamics. Vol.18 No.6.1995.
    [8] S.Di Gennaro. Active Vibration Suppression in Flexible Spacecraft Attitude Tracking. Journal of Guidance, Control and Dynamics. Vol.21 No.3.1998.
    [9] Sandrine Le Ballois and Gilles Duc. H_∞ Control of an Earth Observation Satellite. Journal of Guidance, Control and Dynamics. Vol.19 No.3.1996.
    [10] Xipu Li,Arthur J.Throckmorton and Jeffery B.Boka.Stability Analysis on Earth Observing System AM-1 Spacecraft Earth Acquisition. Journal of Guidance, Control and Dynamics. Vol.19 No.3.1996.
    [11] Ricardo S. Sanchez Pena,Roberto Alonso and Pablo A.Anigstein. Robust Optimal Solution to the Attitude/Force Control Problem. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. No.3.2000.
    [12] S.Di Gennaro.Active Vibration Suppression in Flexible Spacecraft Attitude Tracking. Journal of Guidance, Control and Dynamics. Vol.21.No.3.1998.
    [13] Ying-Yuh Lin and Gern-Liang Lin. General Attitude Maneuvers of Spacecraft with Flexible Structures. Journal of Dynamics Systems, Measurement and Control. Vol.18 No.2.1995.
    [14] 何瑞金.飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究.上海:东华大学硕士学位论文.2004.1
    [15] 张建成.飞轮储能系统及其运行控制技术研究.河北:华北电力大学博士学位论文.2000.12
    [16] 杨志轶.飞轮电池储能关键技术研究.安徽:合肥工业大学博士学位论文.2002.7
    [17] 张建成,黄立培.飞轮储能系统及其运行控制技术研究.北京:中国电机工程学报.Vol.23 No.3.Mar.2003
    [18] 解亚飞,程三海等.飞轮储能系统中的能量转换环节及其实现.广州:电机电器技术.2001(1)26-29
    [19] 曹炳君.飞轮储能系统中能量转换环节.北京:电工电能新技术.1997(4)33-35
    [20] 刘胜忠等.卫星飞轮产品和技术的商业化发展.上海:上海航天.2002.4
    
    [21] 赵韩,杨志轶等.新型高效飞轮储能技术及其研究现状.武汉:中国机械工程.Vol.13 No.17 Sep.2002
    [22] 周洁.用于卫星飞轮的磁悬浮驱动技术研究与展望.西安:微电机.Vol.36 No.2 2003
    [23] 詹三一,唐跃进等.超导磁悬浮飞轮储能的基本原理和发展现状.南京:电力系统自动化.2001(16)67-72
    [24] 叶金虎等编著.无刷直流电动机.北京:科学出版社.1982.1
    [25] 张琛编著.直流无刷电动机原理及应用.北京:机械工业出版社.1996.4
    [26] 曲家骐.展望21世纪的无刷直流电动机.上海:微特电机.1999(4)41-43
    [27] 李钟明等著.稀土永磁电机.北京:国防工业出版社.1999.7
    [28] 张波,朱震莲等.稀土永磁方波无刷直流电动机的运行和控制特性研究.北京:电工技术杂志.1997(4)10-12
    [29] Zimmemann P et al. Electronically Commuted DC Feed Driver for Machine Tools. motorcon. 1978(9)69-87
    [30] 朱震莲,严仰光,薛晓明.稀土永磁无刷直流方波电动机.南京航空学院学报
    [31] 颜新祥,严仰光,朱震莲.方波无刷直流电动机调速系统及其实现技术.上海:电子与自动化.1992(512)18-22
    [32] 胡崇岳主编.现代交流调速技术.北京:机械工出版社.1998.8
    [33] 许大中主编.交流电机调速理论.浙江:浙江大学出版社.1991
    [34] 陈伯时,陈敏逊主编.交流调速系统.北京:机械工业出版社.1998
    [35] 童良忠,陆永平,李铁才.方波驱动无刷直流电动机的模型及仿真.西安:微电机.2002(1)15-16
    [37] PRAGASEN PILLAY, Modeling, Simulation and Analysis of Permanent-Magnet Motor Drivers, Part Ⅱ, The Brushless DC Motor Drive, IEEE Trans.Ind.Appl. Vol.25 No.2 MARCH/APRIL 1989
    [38] 曹政才.方波驱动无刷直流电动机稳态运行特性的仿真分析.黑龙江:黑龙江矿业学院学报.Vol.10 No.4.40-43
    [39] 陈会进,绍明凯编著.电动机控制.台湾:全华科技图书公司.1998.8
    [40] 顾绳谷主编.电机及拖动基础上册(第二版).北京:机械工业出版社.2000.5
    [41] 刘付成等.卫星惯性姿态敏感器技术.上海:上海航天.2003.5.33-37
    [42] 刘廉.液浮积分陀螺反馈回路的设计及应用.航空航天部十六所会议优秀论文
    [43] 吴光裕.由四个速率积分陀螺组成的惯性姿态敏感器.控制工程.1998.8.19-22
    [44] 贾英宏,徐世杰.采用变速控制力矩陀螺的一种姿态/能量一体化控制研究.宇航学报.2003.1.Vol.24 No.1
    [45] 林玉荣,邓正隆.基于矢量观测确定卫星轨道姿态.哈尔滨:哈尔滨工业大学学报.2003.7.Vol.35 No.7
    [46] 杨大明编著.空间飞行器姿态控制系统.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.2000.9
    [47] 屠善澄主编.卫星姿态动力学与控制(1).北京:宇航出版社.2003
    [48] 钱勇.高精度三轴稳定卫星姿态确定和控制系统研究.西安:西北工业大学博士学位论文.2002.6.1
    [49] 柏林.三轴稳定卫星姿态确定和姿态控制系统研究.西安:西北工业大学硕士学位论文.2001.3.1
    [50] 仝西岳.挠性卫星动力学建模与控制系统研究.长沙:国防科学技术大学研究生 院学位论文.2001.12.1
    
    [51] 赵良炳编著.现代电力电子技术基础.北京:清华大学出版社.1995.136-153
    [52] 黄福铭主编.航天器飞行控制与仿真.中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会.北京:国防工业出版社.2004.2.26-94
    [53] 何平、王鸿绪编著.模糊控制器的设计及应用.北京:科学出报社1997
    [54] 诸静等编.模糊控制原理与应用.北京:机械工业出版社1995
    [55] 刘曙光等编.模糊控制技术.北京:中国纺织出版社.2001.6
    [56] 章正斌等编著.模糊控制工程.重庆:重庆大学出版社.1995
    [57] B.K.Bose,"Expert system, fuzzy logic and neural network applications in power electronics and motion control", Proc. IEEE, vol.82,pp.1303-1323,Aug.1994
    [58] L.H.Tsoukalas and R. E. Uhrig, Fuzzy and Neural Approaches in Engineering, Wiley, NY,1997
    [59] Math Works,Fuzzy Logic Toolbox User's Guide,Jan.,1998
    [60] 比马尔K.博斯(Bimal K.Bose)著 现代电力电子学与交流传动(英文版)Modern Power Electronics and AC Drives 北京:机械工业出版社.2003.1
    [61] 黄俊,王兆安编著.电力电子变流技术.北京:机械工业出版社.1999.10
    [62] 陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社.2000.6
    [63] 张东立主编.直流拖动控制系统.北京:机械工业出版社.1999.5
    [64] 王兆安,黄俊主编.电力电子技术.北京:机械工业出版社.2000
    [65] 倪远平,王羽.21世纪的核心技术-模糊逻辑控制技术.重庆:电工技术.1998.1-5
    [66] 张东波等.基于Matlab仿真的模糊温度集控器.南京:工业控制计算机. 2002.Vol.15.No.2
    [67] 江驹,吴树范等.基于模糊逻辑控制的航天器返回段姿态控制.南京理工大学学报.2001.2 Vol.25.No.1.91-95
    [68] 乔溪荣,李宝绶.模糊神经网络控制器及其在航天器姿态控制系统中的应用研究.北京:航天控制.1998.No.1.13-18
    [69] T. Takagi and M. Sugeno, "Fuzzy identification of a system and its applications to modeling, and control", IEEE Trans. Syst. Man and Cybern., vol.15, pp. 116-132, Jan./Feb. 1985.
    [70] G.C.D.Sousa and B.K.Bose, "A fuzzy set theory based control of a phade controlled of a phase controlled converter dc drive", IEEE Trans. of Ind. Appl., vol.30,pp.34-44, Jan./Feb.1994.
    [71] 张静,樊春玲,田蔚风.模糊神经网络控制器在卫星姿态控制系统中的应用.上海:航天控制.2003.No.2.6-13
    [72] 宋彦国,张呈林.一种基于模糊控制的直升机姿态控制器设计方法.南京航空航天大学 学报2003.6.Vol.35.No.3
    [73] 王硕禾,高蒙,亢海伟.模糊控制算法在炉窑温控系统中的应用研究.河北师范大学学报.1999.12.Vol.23.No.4
    [74] 秦勇,贾利民,张锡第.多变量模糊系统建模与控制理论.北京:计算机仿真 1999.7.Vol.16.No.3.15-18
    [75] 李遵基,王丽君.模糊控制理论在球磨机制粉系统中的应用.河北:华北电力大学学报.1997.1.Vol.24.No.1.1-5
    [76] 韩耀鹏.模糊控制在蒸汽温度控制系统中的仿真研究.辽宁工程技术大学硕士学 位论文.2004.2.1
    
    [77] 武雪艳.基于模糊PID控制方法的跳汰机排料系统研究,太原理工大学硕士学位论文.2003.6.1
    [78] 马晓敏.带飞轮航天器的姿态控制问题.上海交通大学硕士学位论文.2002.7.1
    [79] 张国良等.模糊控制及其MATLAB应用.西安:西安交通大学出版社.2002.11.70-96
    [80] 郝加臣,余发山,王福忠,王红旗.贵州工业大学学报(自然科学版).参数自适应模糊PID控制器在自动励磁调节系统中的应用.2003.2.Vol.32.No.1.54-57

© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号

地址:北京市海淀区学院路29号 邮编:100083

电话:办公室:(+86 10)66554848;文献借阅、咨询服务、科技查新:66554700