飛輪控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì).pdf

1、本論文研究用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的飛輪的控制。飛輪是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的力矩執(zhí)行元件，理想的飛輪輸出力矩應(yīng)該嚴(yán)格復(fù)現(xiàn)輸入指令。但是，實(shí)際工程使用的飛輪一直存在諸多非理想因素，嚴(yán)重制約衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的精度。本論文從工程實(shí)際提出的問題出發(fā)，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論解決工程問題。
　　論文首先從工程角度出發(fā)介紹了飛輪的結(jié)構(gòu)、工作原理、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，指出目前工程應(yīng)用的飛輪存在的問題，提出改進(jìn)飛輪性能的方法。
　　論文詳細(xì)研究了飛輪控制系統(tǒng)存

2、在的干擾和噪聲，為深入研究飛輪控制系統(tǒng)奠定良好的基礎(chǔ)。通過分析表明，在飛輪中存在兩個(gè)影響飛輪性能的關(guān)鍵因素：一是非線性摩擦力矩干擾，二是大范圍變速率運(yùn)行造成的參數(shù)變化。這兩個(gè)因素的存在嚴(yán)重制約了飛輪的性能。
　　飛輪內(nèi)部的摩擦力矩在零轉(zhuǎn)速附近具有非線性特性，干擾飛輪輸出力矩。論文提出了基于速率反饋的飛輪控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，目的在于消除飛輪系統(tǒng)內(nèi)部非線性摩擦力矩干擾對輸出力矩的影響。飛輪控制系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制和線性調(diào)整組合的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，避

3、免了慣用的脈寬調(diào)制結(jié)構(gòu)存在的切換擾動(dòng)。
　　論文指出目前工程實(shí)踐中的速率模式飛輪和力矩模式飛輪都可以通過速率反饋的方式抑制干擾從而提高飛輪性能，這一思想是飛輪各種模式的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過在飛輪系統(tǒng)中引入積分輸出反饋，將系統(tǒng)內(nèi)存在的干擾包括在反饋環(huán)內(nèi)，從而抑制系統(tǒng)內(nèi)部干擾。這個(gè)構(gòu)造性工作具有重要的理論和工程意義。
　　由于飛輪運(yùn)行速率范圍很寬，參數(shù)變化大，在全速率范圍內(nèi)保證速率反饋控制系統(tǒng)的性能具有挑戰(zhàn)性。針對飛輪參數(shù)變

4、化特性，論文設(shè)計(jì)了基于增益調(diào)度理論的飛輪控制器，使控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到提高。該控制器應(yīng)用于速率模式和力矩模式的飛輪，有效克服了低速非線性摩擦干擾，使飛輪的速率/力矩在全速度工作范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)性能得到有效保證。
　　論文最后給出一個(gè)設(shè)計(jì)的飛輪控制系統(tǒng)在某一衛(wèi)星應(yīng)用的例子。比較分析顯示，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的帶有速率反饋飛輪的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)性能有明顯提高。
　　本論文的研究成果已經(jīng)直接應(yīng)用在前不久成功發(fā)射的“風(fēng)云三號”氣象衛(wèi)星和“神舟