飞轮单轴姿态控制及储能系统

给出了一种应用于小卫星的集成化单轴姿态控制及储能系统。通过同轴反转安装的双飞轮,进行必要的解耦控制,能够实现卫星在日阳期及日阴期能量的储存与释放,同时对卫星的姿态进行稳定或按照要求调整。通过仿真分析,证明了集成化单轴姿态控制与储能系统方案的正确性,分析了系统参数对控制精度的影响,给出了参数优化途径。搭建了单轴姿态控制与储能实验演示系统并进行了实验,在0到20000rpm转速范围内进行了储能实验,该过程模拟卫星单自由度旋转的气浮转台的控制精度优于1.5º,折算到百公斤量级卫星的姿态角波动量为1.8';在20000rpm到10000rpm的转速范围内进行了放能实验,该过程转台的控制精度优于1.2',折算到百公斤量级卫星的角度波动量为1.6",总线电压24V,电压波动量小于1.8%。结果表明：单轴姿态控制与储能系统应用于卫星及其它空间飞行器上能够同时完姿态控制和能量需求。     

单轴储能及姿态控制一体化系统研究

给出了一种应用于卫星的单轴能量存储及姿态控制一体化系统.在同一轴上安装两个反向旋转的飞轮,通过预定的算法,控制两个飞轮的角加速度,可以在日阳期、日阴期及其过渡过程分别实现能量的储存和释放,并且在这些过程中保持卫星的姿态不变或按要求实现姿态机动.根据实验对系统进行了适当的简化,推导出了其数学模型,给出了相应的控制算法,并进行了在储、放能的同时实现姿态控制过程的试验.初步试验表明,在储能过程中,轴系控制精度优于3°;在放能过程中,轴系控制精度优于1.2′,换算到百公斤量级卫星的姿态角波动量分别为3.6′和1.5″.结果表明:在消除一些不对称因素(如两个电机结构差异)后,此方法在卫星或其它空间飞行器中同时完成能量交换和姿态控制是可行的.     

单轴飞轮储能与姿态控制系统误差分析

介绍了单轴飞轮储能及姿态控制一体化系统的总体构成和工作原理,研究并推导了系统的数学模型,分析了系统误差产生的原因,建立了转台角度位置误差与转子安装不同轴误差、转子偏心误差、飞轮速度测量与控制误差之间的误差关系式,并进行了误差合成。结合实际实验系统算出了各项误差,并对比和分析了各项误差。结果表明:影响系统位置精度的主要因素有飞轮安装不同轴误差、转动惯量误差和飞轮速度测量与控制误差等,其中飞轮转动惯量误差和飞轮安装不同轴误差是不可控量;而飞轮的转速测量与控制误差是可控量。最后提出了提高飞轮储能与姿态控制系统精度的主要方法,可以通过提高位置测量传感器和速度测量传感器的分辨率,采用先进的控制算法来降低飞轮的转速测量与控制误差。     

并联型有源电力滤波器直流侧电压模糊控制方法的研究

在传统的基于PI控制的有源电力滤波器直流侧电压控制方法的基础上,提出将模糊控制和PI控制复合使用的直流侧电压控制新方法。该方法充分发挥了模糊控制与PI控制各自的优点,具有动态响应快、超调小、静态误差小的特点,并且实现简单,满足多种变化负载情况下的有源电力滤波器直流侧电压控制要求。仿真结果验证该方法的正确性和可行性。     

姿控飞轮控制系统设计及转速过零分析

为了缩短姿控飞轮控制系统的设计周期和快速验证设计方案的可行性及有效性,在分析姿控飞轮电机本体数学模型的基础上,结合该姿控飞轮控制系统所采用的加速控制、制动控制、换相控制,建立了姿控飞轮控制系统模型。并针对姿控飞轮的共性问题：飞轮过零的力矩抖动,以速度模式下的指令响应为例分析了调压调速控制方式与调压调速结合反接制动方式下的飞轮速度、电流、端电压以及力矩响应。通过分析,结果表明：0.025Hz的速度指令下,调压调速结合反接制动方式具有更好的过零响应。     

磁悬浮飞轮锁紧保护技术研究与发展现状

介绍了国内外常用的磁悬浮飞轮用一次性锁紧装置和可重复锁紧装置,分析了它们的结构和工作原理。综述了这些磁悬浮飞轮用锁紧装置的研究现状及其在卫星姿态控制系统中的应用。介绍了国外一次性内/外锁紧方案,结合各种方案结构示意图,给出了不同锁紧装置的适用场合。为克服一次性锁紧装置不可重复锁紧/解锁的缺点,论述了国内可重复锁紧装置的发展过程,重点分析了基于楔形块自锁的可重复内锁紧装置和可重复抱式外锁紧装置。展望了锁紧保护技术的未来发展方向,指出基于单执行机构的可重复内锁紧装置、高锁紧刚度、高阻尼可重复锁紧装置和锁紧保护效果评价方法是磁悬浮飞轮保护技术的研究重点。     

人体运动跟踪中MEMS姿态测量单元设计与测试

人体运动姿态的实时跟踪在运动员辅助训练和康复医学中有广泛应用.设计了应用于人体运动姿态测量的MEMS姿态测量单元.该姿态测量单元包含三轴正交的MEMS加速度计、磁强计和角速率陀螺,集成微控制器以及扩展数据存储的FLASH芯片,单元大小为38 mm×28 mm×13 mm.姿态角解算采用基于四元数的扩展卡尔曼滤波算法.提出了一种利用单轴转台和楔角器进行姿态测量单元3个姿态角误差测试的新方法.测试结果表明:3个姿态角测量误差均小于2°,满足人体运动姿态测量的精度要求.     

小卫星姿控xPC环境半物理仿真研究

针对利用反作用飞轮作为执行机构的小卫星姿控系统,设计了基于xPC实时仿真环境、高精度单轴气浮转台、姿控计算机及光纤陀螺和反作用飞轮的卫星姿态控制系统半物理仿真实验平台;并利用该系统对用反作用飞轮的小卫星姿态控制机动模式进行了半物理仿真验证,在50秒内机动了31.57°,并有较好的指向精度和稳定度。结果表明,根据光纤陀螺和反作用飞轮现有特性,设计的姿态控制算法进行机动 能够满足控制系统指标。     

四旋翼两栖机器人姿态求解与控制

介绍了一种基于四旋翼驱动的两栖移动机器人。首先简要介绍了该机器人的机械结构与控制及传感系统,并介绍了机器人由四旋翼机构提供动力,并通过对4个旋翼的转动速度和方向进行配置,从而实现在空中飞行或在地面滚动的原理。然后,采用四元数方法对该两栖机器人进行了姿态求解,在此基础上,基于PID算法开发了机器人的飞行控制算法,并进行了相应的仿真。最后通过实验验证了该两栖机器人能够实现预期的两种运动模式,即空中飞行和地面滚动。该机器人提高了传统只具有单一运动模式的移动机器人的环境适应能力。     

基于功率平衡的微电网稳定性控制策略

针对含有储能元件的分布式发电系统存在直流母线电压难以准确控制,直流子网切负荷瞬间交流子网电压及频率会偏离正常值的缺点,提出了基于功率平衡带负载前馈的蓄电池控制策略和改进的V/f逆变控制方法对其进行改进。仿真结果表明:交直流混合微电网在孤岛模式下和受扰动时,该方法均能使直流母线电压实现稳定且电压和频率都能够满足正常运行的要求,同时提高了整个系统的抗扰动能力。     

一种微型万向平台的姿态控制

针对一种微型万向平台,介绍了其构成情况、工作原理及典型应用。通过建立的几何模型,分析了其姿态控制方法。阐述并分析了Preisach迟滞模型并进行了数字仿真。结果表明采用Preisach模型的迟滞补偿方法对该微型万向平台的SMA进行驱动时,可有效提高控制响应;该方法可较容易地预测经过任意序列输入参数以后的输出情况。     

四足机器人 Trot 步态偏航分析及其控制

为了解决四足机器人在对角小跑步态中存在的绕对角线翻转而导致在直线行走时出现偏航问题,在理论分析偏航现象的基础上提出一种姿态控制方法。首先建立四足机器人整体运动模型,通过数值分析和计算,得到偏航产生的根本原因:一是机体由于重力影响,会产生绕支撑对角线的翻转力矩;二是处于支撑相时,髋关节产生的反作用力矩,导致步态时序会提前或延后,引起绕机体对角线翻转。然后在此基础上,建立姿态控制模型,通过传感器测得偏航值,反方向补偿其偏航。最后进行动力学仿真实验,发现机器人在不加姿态控制的情况下,出现较大偏航值,而在应用姿态控制之后,偏航值得到了明显改善,仿真实验对比证明了该姿态控制方法有效地解决偏航问题。     

Feedback attitude sliding mode regulation control of spacecraft using arm motion

The problem of spacecraft attitude regulation based on the reaction of arm motion has attracted extensive attentions from both engineering and academic fields.Most of the solutions of the manipulator’s motion tracking problem just achieve asymptotical stabilization performance,so that these controllers cannot realize precise attitude regulation because of the existence of non-holonomic constraints.Thus,sliding mode control algorithms are adopted to stabilize the tracking error with zero transient process.Due to the switching effects of the variable structure controller,once the tracking error reaches the designed hyper-plane,it will be restricted to this plane permanently even with the existence of external disturbances.Thus,precise attitude regulation can be achieved.Furthermore,taking the non-zero initial tracking errors and chattering phenomenon into consideration,saturation functions are used to replace sign functions to smooth the control torques.The relations between the upper bounds of tracking errors and the controller parameters are derived to reveal physical characteristic of the controller.Mathematical models of free-floating space manipulator are established and simulations are conducted in the end.The results show that the spacecraft’s attitude can be regulated to the position as desired by using the proposed algorithm,the steady state error is 0.000 2 rad.In addition,the joint tracking trajectory is smooth,the joint tracking errors converges to zero quickly with a satisfactory continuous joint control input.The proposed research provides a feasible solution for spacecraft attitude regulation by using arm motion,and improves the precision of the spacecraft attitude regulation.     

基于自适应模糊的旋转弹反演滑模控制律设计

针对旋转弹药模型具有非线性、强耦合和参数不确定性等特点,建立了考虑不确定因素的非线性控制模型,提出一种基于自适应反演和滑模控制理论的旋转弹体姿态控制律。基于Lyapunov稳定性理论,利用反演控制和滑模变结构理论取虚拟控制量作为滑动模态,设计了姿态控制器;基于模糊控制方法较强的逼近能力,引入自适应模糊控制实现对不确定参数的估计,同时通过对切换增益的模糊逼近解决了滑模面的抖振问题。仿真结果表明,所设计的控制律具有较好的稳定性和鲁棒性,该控制模型和控制器的设计合理可行。     

越野轮胎起重机总线控制系统的设计

阐述了越野轮胎起重机的发展趋势,指出越野轮胎起重机的控制系统研究具有重大意义。介绍了系统主要控制对象,提出了一套完整的越野轮胎起重机控制系统,就操纵控制系统进行详细设计。针对控制系统信息通讯中回转电滑环中的线束数量有限和单条总线上数据太多会导致通讯速度低等问题,提出了一种改良的CAN总线控制系统网络,其采用模块化设计,双CAN总线通讯。通过越野轮胎起重机的现场试验,验证了该控制系统的可靠性和优越性。     

一种用于交直流电力系统稳定分析的全状态直流模型

针对交直流电力系统的稳定性研究中缺乏一种标准的直流模型以及存在不同详细程度的直流模型的问题,基于文献中常见的EPRI直流模型以及电力系统仿真软件PSS/E的CDC4直流模型,提出了一种包含7个不同运行状态的全状态直流模型,并用Matlab程序和PSS/E软件分别对单机无穷交直流系统算例进行了不同故障情况的动态仿真,从而验证了全状态直流模型的正确性。研究结果表明,这种全状态直流模型既具有良好的控制系统,又包含完整的运行状态,很好地满足了要求。     

Design, implementation, and testing of a single axis levitation system for the suspension of a platform

This paper describes the design and implementation of a single axis DC attraction type suspension system, where a platform (vehicle structure) of around 14 kg mass is made to remain suspended at the desired operating gap under a ferromagnetic guide-way. The prototype has four electromagnetic actuators of attraction type and four inductive gap sensors, all located at the corners of the platform. The four actuators are controlled independently through four identical controllers, and the stable levitation of the platform is achieved through the single input and single output (SISO) control of each air-gap. The emphasis of this work is on the design and development of the switched mode power amplifier cum controller unit for the four actuators. The proposed single switch-based power circuit simplifies the overall hardware, and it can be extended to any number of magnet-coils. A cascade lead compensation control scheme utilizing an inner current loop and outer position loop has been designed and implemented for the stabilization of such a highly unstable and strongly nonlinear system. The prototype has been successfully tested, and stable levitation was demonstrated with the desired operating gap.     

超精密磁悬浮工作台及其解耦控制

给出了一个磁悬浮工作台的结构设计、建模、控制器设计、实时控制试验和试验结果。与国际上已有的类似研究相比,给出的方案使磁悬浮部分独立于直线电动机,以避免两者间的耦合问题。此外,在电磁铁的结构和传感器的布置上,均给出了全新的设计,其特点是即便不使用永久磁铁,电磁铁的静态功耗也比较小,以及在驱动和位置检测上安排了冗余。后者的有利之处是可获得结构上的对称性和解耦后各控制通道在噪声性能上的一致性,且能够更大程度地降低位移信号中的噪声,代价是需要增加一路位移传感器和功率放大器,以及需要略多的实时计算以实现解耦和消除冗余。     

树障清理空中机器人的姿态控制器设计

以一种用于对高压线路附近的树障进行清理的树障清理空中机器人为研究对象,分析其姿态控制问题。首先,建立了具有新型结构的树障清理空中机器人的姿态动力学模型和控制分配矩阵。然后,为了克服惯性矩阵的不确定性,采用滑模方法设计姿态控制器;同时,引入非线性函数来改进传统的边界层法以提高控制器性能;接着提出了一种切换控制分配矩阵的方法来解决空中机器人在切割作业过程中的动力学模型变化的问题。最后,在仿真平台上实现了上述控制器。实验结果表明,本滑模控制器具有良好的姿态控制性能,能有效克服机体惯量的不确定性;通过切换控制分配矩阵实现了空中机器人在切割作业过程中的姿态稳定。     

用水平仪测量小台面对竖直轴线垂直度的方法

为了测量转台上边缘小平台对回转轴线的垂直度误差,首先在转台上建立了一系列坐标系,在考虑竖直轴线对水平面的铅垂度、边缘台面对竖直轴线垂直度的情况下,得出了平台坐标系对基准坐标系的姿态.并建立了水平仪读数与该姿态之间关系.将水平仪放置在小平台上,旋转轴系,得出了数直轴线的铅垂度误差、然后固定轴系不动、水平仪在小平台上旋转,得出了小平台平面的水平度误差.根据这个水平度和竖直轴线的铅垂度误差计算出了小台面对竖直轴线的垂直度误差.最后对测量的垂直度误差进行了误差分析.