陀螺飛輪系統(tǒng)建模與特性分析.pdf

1、本文以微小航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)研究為背景，以一種新型航天器姿態(tài)控制元件——陀螺飛輪為研究對(duì)象，建立了陀螺飛輪的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，分析了常見機(jī)械因素對(duì)陀螺飛輪性能的影響，設(shè)計(jì)了陀螺飛輪系統(tǒng)控制器，并分析控制器的控制效果。
　　首先，在分析陀螺飛輪機(jī)械組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，得到了陀螺飛輪轉(zhuǎn)子的受力情況，根據(jù)歐拉動(dòng)力學(xué)方程，推導(dǎo)得到陀螺飛輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。歐拉動(dòng)力學(xué)方程中的各力矩項(xiàng)均來自于理論分析，其物理意義清晰。根據(jù)所建立的

2、動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算陀螺飛輪的階躍響應(yīng)，使用FFT分析響應(yīng)結(jié)果，得出陀螺飛輪進(jìn)動(dòng)特性的特點(diǎn)。利用SimMechanics構(gòu)建陀螺飛輪的機(jī)械仿真模型，相互驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型與機(jī)械仿真模型，以證明由歐拉動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型在傾側(cè)角為0°~7°時(shí)，能夠反映陀螺飛輪的特性。
　　然后，分析了陀螺飛輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中常見機(jī)械因素對(duì)于陀螺飛輪動(dòng)力學(xué)特性的影響。通過公式推導(dǎo)，得出了驅(qū)動(dòng)軸與內(nèi)撓性軸之間不垂直不影響陀螺飛輪進(jìn)動(dòng)特性的結(jié)論。通過公式推導(dǎo)，得

3、出的內(nèi)外撓性軸之間不垂直不影響陀螺飛輪進(jìn)動(dòng)特性的結(jié)論。分析了兩撓性軸抗扭剛度不相等對(duì)陀螺飛輪的影響，通過相關(guān)系數(shù)的概念，得出章動(dòng)分量幅值和二倍頻幅值與剩余剛度呈正比的結(jié)論。分析了陀螺飛輪轉(zhuǎn)子靜不平衡量和動(dòng)不平衡量的來源及影響，得出靜不平衡量在地面條件下響應(yīng)的計(jì)算公式，得出靜不平衡量和動(dòng)不平衡量引入轉(zhuǎn)速頻率干擾的結(jié)論。
　　最后，分析了進(jìn)動(dòng)控制不適于工程采用的原因，研究了兩種適于工程采用的陀螺飛輪解耦控制方案，綜合各項(xiàng)指標(biāo)選擇零極點(diǎn)