双功能飞轮控制方法的研究

论文摘要

双功能飞轮储能及姿态控制系统是近年来发展极为迅速的一种集成化能量存储和姿态控制设备,它是一个集光、机、电于一体的复杂系统。本文以相关理论与实验为基础,对双功能飞轮储能及姿态控制系统能量存储与姿态控制的解耦问题、速度反馈测量的有效方法、控制策略以及系统误差等方面进行了深入研究。本文首先系统地论述了利用飞轮同时完成能量存储与姿态控制方案的可行性、研究意义及国内外的发展现状和趋势。给出了单轴储能与调姿控制器的设计方法,简要介绍了单轴双功能飞轮姿态控制系统的基本构成及工作原理。系统中速度反馈测量方法的正确性以及反馈元件的测量精度对控制系统的控制性能影响很大。分析了传统测速方法所存在的不足,从误差分析的角度提出了一种速度测量方法,并设计了相应的速度测量系统,满足了系统能量存储与姿态调整过程中飞轮速度测量范围宽、精度高的要求。分析了系统储能与姿态调整控制过程中所存在的问题,对上、下飞轮电机单元的差异通过串联校正的方法进行了补偿,提出了积分分离式分段PID复合控制算法,显著地提高了系统控制精度,并抑制了超调,取得了满意的控制效果。在系统放能与姿态调整实验过程中,采用可控恒流源与PD控制相结合的方法,实现了系统在高转速、宽范围内的稳定控制。分析了影响系统姿态控制精度的主要因素,推导并建立了单自由度气浮转台角度与各影响因素之间的误差关系式,并进行了误差合成;结合实际实验系统,算出了各项误差,并针对该系统提出了提高系统姿态控制精度的主要方法。最后对本文提出的理论和方法进行了实验研究,取得了与理论分析相一致的结果,证明了本文理论分析的正确性及工程实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究及发展现状
• 1.3 实现双功能飞轮姿态控制的主要方法
• 1.3.1 单轴双功能飞轮姿态控制方法
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 单轴双功能飞轮储能与调姿控制器设计及实验系统
• 2.1 引言
• 2.2 卫星姿态控制的方法及意义
• 2.3 单轴双功能飞轮储能与调姿控制器设计
• 2.3.1 反向旋转飞轮对动力学方程
• 2.3.2 反向旋转飞轮对的控制
• 2.3.3 反向旋转飞轮对储能与调姿控制器设计
• 2.3.4 反向旋转飞轮最小转动惯量确定
• 2.4 单轴双功能飞轮姿态控制系统基本结构
• 2.5 单轴双功能飞轮储能与调姿的基本原理
• 2.5.1 飞轮能量存储基本原理
• 2.5.2 单轴双功能飞轮姿态调整基本原理
• 2.6 本章小结
• 第三章 双功能飞轮姿态控制系统软硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 控制系统组成
• 3.3 控制系统硬件配置
• 3.3.1 系统主控制器选择
• 3.3.2 气浮转台与位置测量传感器
• 3.3.3 速度测量传感器
• 3.3.4 电动/发电机
• 3.3.5 电机驱动控制器
• 3.3.6 可控差动恒流源
• 3.4 双功能飞轮高精度测速系统设计
• 3.4.1 系统速度测量原理
• 3.4.2 测速系统硬件设计与改进
• 3.4.3 测速系统软件设计
• 3.4.4 速度测量试验及误差分析
• 3.5 控制系统软件设计
• 3.5.1 主程序结构
• 3.5.2 串行通讯服务子程序
• 3.5.3 姿态稳定控制子程序
• 3.5.4 积分分离式分段PID 控制子程序
• 3.6 本章小结
• 第四章 双功能飞轮姿态控制系统数学模型及实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 双功能飞轮姿态控制系统工作原理
• 4.3 双功能飞轮姿态控制系统结构框图
• 4.4 充电过程数学模型
• 4.4.1 气浮转台模型
• 4.4.2 电机系统模型
• 4.4.3 姿态控制器模型
• 4.5 电机主要参数测试
• 4.5.1 电机最大驱动电流与飞轮最高转速关系测试
• 4.5.2 飞轮转速与控制电压关系测试
• 4.5.3 电机放电电压与飞轮转速关系测试
• 4.6 实验法一体化飞轮电机数学模型的建立
• 4.6.1 测试系统的建立
• 4.6.2 阶跃响应曲线测量及数据分析
• 4.6.3 一体化飞轮电机数学模型的建立
• 4.7 系统模型及控制方法
• 4.7.1 积分分离式分段PID 控制
• 4.7.2 储能过程及其分析
• 4.8 放能过程控制及数学模型
• 4.9 系统仿真及控制
• 4.10 实验结果及分析
• 4.11 本章小结
• 第五章 双功能飞轮姿态控制系统误差分析
• 5.1 引言
• 5.2 误差研究的科学意义及任务
• 5.3 系统误差分析
• 5.3.1 系统单项误差分析
• 5.3.2 系统总误差分析
• 5.3.3 实际实验系统误差分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读博士期间论文及专利发表情况
• 致谢
• 作者简历