单框架控制力矩陀螺的动力学分析

为了验证单框架控制力矩陀螺结构的可靠性,采用AutoCAD建立陀螺的三维几何模型,同时运用有限元法建立了动力学分析模型。在MSC.Nastran环境下,进行模态仿真,得到了力矩陀螺的前十阶固有频率和相应的振型。接着在模态分析、频率响应分析的基础上,进行了陀螺的随机响应分析,研究了单框架控制力矩陀螺的动力学性能。为陀螺结构的可靠性评估以及优化设计提供了理论参考依据。     

非线性强陀螺效应磁悬浮转子的解耦控制

针对磁悬浮控制力矩陀螺径向磁悬浮转子强非线性、强陀螺效应耦合对系统稳定性的影响,建立了磁悬浮转子多通道非线性动力学模型与功放模型,分析了磁悬浮转子系统的强陀螺效应耦合性,提出了一种考虑功放环节的α逆系统结合滑模控制器的解耦控制方法,并对其进行了仿真试验。结果表明,该方法对磁悬浮转子系统有良好的解耦效果与鲁棒性。     

磁悬浮控制力矩陀螺框架系统谐波减速器的迟滞建模

为了抑制双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架伺服系统中谐波减速器固有的迟滞特性对系统精度的影响,提出了一种基于Preisach模型的谐波减速器迟滞特性建模方法。首先,使用一阶回转曲线法采集谐波减速器的柔轮输出力矩与扭转角,获得建立谐波减速器迟滞模型的实验数据,其中谐波减速器柔轮的输出力矩是在不使用力矩传感器的条件下用系统动力学模型估计得到的;然后,使用Preisach模型对谐波减速器柔轮输出力矩与扭转角迟滞关系进行建模;最后,采用将模型离散化的数字型实现方法辨识模型中的权重函数,并给出模型的离散递归算法使模型利于简易化编程与进一步的在线控制。实验结果显示,谐波减速器的迟滞模型误差不超过0.005°,MSE值不超过(0.000 83%)°。结果显示了所述建模方法的正确性和实用性。     

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子的高精度位置控制

在受到陀螺效应、动框架效应等影响后产生的磁力非线性问题是磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)高速转子位置精度下降的主要因素。为解决以上问题,提高转子位置精度,本文分析了转子所受磁力的特性,建立了转子系统非线性动力学模型,提出了神经网络滑模控制方法。设计滑模控制律,采用径向基函数神经网络逼近控制律中的非线性模型,自适应算法根据误差在线调整神经网络的权值,同时可以保证整个系统的稳定性。仿真和实验结果表明,所提出方法的转子位置精度达到99%,稳态误差为0.000 2 mm。神经网络滑模控制可以实现MSCMG转子系统的高精度位置控制。     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的扰动抑制

内外框架之间的耦合力矩和谐波减速器的非线性传输力矩是影响双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架系统精确角速度控制的主要因素,为了解决以上干扰问题,实现框架系统高精度角速率伺服控制提出了一种基于扰动观测器和自适应反步的框架系统复合解耦控制方法。通过扰动观测器来估计框架系统中的扰动,并结合自适应反步法获得控制律,其间将扰动估计误差当作未知参数设计了其自适应律,对扰动的两次处理使得框架系统干扰估计更加精确,同时可以保证估计参数的收敛性和整个框架系统的稳定性。仿真和实验结果表明,采用此复合控制方法,DGMSCMG框架系统扰动估计误差不超过框架系统实际扰动的3%,实际框架角速率跟踪参考指令角速率的精度达到99.2%。此复合解耦控制方法可以满足DGMSCMG框架系统抗干扰能力强、高精度角速率伺服控制的要求。     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承负载力矩复合补偿的控制

提出一种基于角速率前馈与力矩观测相结合的磁轴承负载力矩复合补偿控制方法来提高双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子的悬浮精度。建立了双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子动力学模型,分析了内外框架转动情况下的磁轴承负载力矩。分别基于框架角速率前馈和力矩观测设计了磁轴承负载力矩复合补偿控制方法,分析了补偿后系统的稳定性。最后,利用实验室研制的样机搭建试验平台对本文所提出的方法进行了实验验证。结果表明:在框架以角加速度120(°)/s2启动至10(°)/s时,该方法使转子Ax端位移跳动量减小为未补偿前的44.8%;内外框架以幅值频率10Hz正弦激励时,转子Ax、By端的位移跳动量分别减小为未补偿前的23.4%和35.5%。结果显示提出的方法有效地提高了磁悬浮转子在负载力矩扰动下的悬浮精度。     

星上控制力矩陀螺群隔振平台的应用研究

控制力矩陀螺群(Control moment gyroscopes, CMGs)作为姿态控制执行机构被广泛应用,但是自身的高频振动特性直接影响星体的姿态精度和稳定度。为能有效地提高星体的姿态精度和稳定度,通过使用六自由度隔振平台处理CMGs产生的高频振动,并对隔振平台的应用进行多任务要求下的协调性研究。建立含有隔振系统和挠性帆板的整星动力学模型,通过对模型的合理简化,得出隔振平台的传递函数特性;分析其和姿态控制系统以及挠性部件相互之间的影响,并得到隔振平台参数设计的约束指标;根据约束指标对隔振平台重要参数进行理论上的设计,并通过数值仿真验证所设计参数的合理性;将所设计的隔振平台运用到整星中,对整星姿态精度和稳定度进行预测,以分析加入隔振平台后,对整星姿态控制精度和稳定度的影响。     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应补偿方法

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double gimbal magnetically suspended control moment gyroscope,DGMSCMG)是由磁悬浮高速转子系统与内框架、外框架速率伺服系统构成的航天器新型姿控执行机构。由于非线性及三个子系统间的强耦合,框架转动时磁悬浮转子位移急剧增大影响稳定性,同时框架系统的响应速度显著下降,称之为动框架效应。该效应严重影响了DGMSCMG的功能,必须加以抑制。建立DGMSCMG的动力学模型,分析三个子系统间的动力学耦合机理,提出一种基于复合控制的补偿方法,引入针对陀螺项的反馈和针对框架角速率给定的前馈消除磁悬浮转子附加位移,提高框架系统响应速度,并对补偿后系统做全局稳定性分析。仿真和试验结果表明,该方法能在保证系统稳定性的前提下有效抑制动框架效应,满足DGMSCMG的功能要求。     

滚珠丝杠副滚动体陀螺力矩计算及分析

滚珠丝杠副滚动体在自转的同时还在作绕丝杠轴线的公转运动,滚动体的这种运动产生陀螺效应。笔者根据陀螺力学相应公式,推导了滚珠丝杠滚动体陀螺力矩的近似计算关系式,通过算例演示了所推导关系式的使用方法,揭示了滚珠丝杠滚动体在丝杠副启动或停止阶段所产生的陀螺力矩会远大于其稳定工作阶段所产生的陀螺力矩的事实。     

考虑转子内部温度梯度的磁-热耦合分析

当磁悬浮转子内部存在温度梯度时,转子会发生变形从而对整个磁悬浮轴承系统的可靠性及动态性能有显著的影响。为了准确计算磁悬浮转子内部的温度差异分布,提出了一种磁-热耦合(2D-3D)方法对磁悬浮转子进行热分析。通过电磁分析软件Ansoft Maxwell对交变磁通下磁悬浮轴承铁损耗进行二维有限元分析,将铁损耗以空间坐标相对应的原则映射到COMSOL的三维温度场分析中,其他损耗如铜损耗也包含在模型中。将这种方法应用在某型号磁悬浮轴承系统上,通过实验分析,计算结果与测量结果相吻合。     

双框架控制力矩陀螺框架系统的扰动观测及抑制

内外框架间的耦合力矩、非线性摩擦和未建模动态是影响双框架控制力矩陀螺框架系统高精度角速率伺服控制的主要因素。为提高框架系统的干扰抑制能力,保证框架系统输出角速率精度,本文提出了一种基于非线性级联扩张状态观测器和滑模控制的复合扰动抑制方法。框架系统中的所有干扰都被认为是集总干扰并由设计的NCESO估计,通过滑模控制可从系统输出通道中消除集总干扰的影响。最后,将本文提出的控制方法与线性级联扩张状态观测器和状态反馈结合的复合控制方法进行了对比仿真实验。仿真和实验结果表明,本文提出的方法具有更好的干扰抑制和动态响应性能,内框架角速度波动从0.5(°)/s减小到0.2(°)/s,外框架角速度波动从0.45(°)/s减小到0.15(°)/s;跟踪正弦参考信号时,速度跟踪误差从1.8(°)/s减小到1.2(°)/s,相位滞后从8°减小到1.3°。     

Kinematics and dynamics of a double-gimbaled control moment gyroscope

Control moment gyroscopes (CMGs) are torque-generating mechanisms that can be used for attitude and vibration control of spacecraft. CMGs consist of a rotating flywheel as well as a wheel-tilting actuator. Most CMG designs allow the flywheel spin axis to tilt about only one axis––a single-gimbaled CMG. This paper develops and analyzes the kinematics and dynamics of a novel double-gimbaled CMG design. The compact CMG design involves two four-bar linkages allowing the axis of rotation of the spinning flywheel to have two degrees of freedom.     

程长控制镜温度效应及耦合场分析

程长控制镜是保持环形谐振腔腔长稳定的重要器件之一,温度变化引起的热形变直接影响环形谐振腔的光路形状和光束质量。首先利用ANSYS软件建立了程长控制镜的有限元仿真模型,分析了不同温度条件下程长控制镜的温度场及耦合场,得到了程长控制镜反射镜面中心形变量云图,对变温条件下程长控制镜反射镜面中心形变规律进行了研究,得到了反射镜面中心形变量与温度的关系函数。然后,通过扫模实验和温度实验验证了有限元模型的正确性,计算相对误差为2.5%。最后,仿真分析了程长控制镜各个部件导热系数、杨氏模量、线膨胀系数的影响规律。不同材料参数下,导热系数以及密度对形变量影响较小,杨氏模量和线膨胀系数对形变量影响较大,形变量与杨氏模量成反比,与线膨胀系数成正比。本文首次研究了常温、高低温及变温条件下程长控制镜的温度场和耦合场,并对材料参数的影响规律进行了定量分析,研究结果对程长控制镜的材料选择与优化设计有一定指导意义。     

基于复数相移陷波的磁悬浮转子系统自平衡控制

为抑制磁悬浮转子系统的不平衡振动力,提出了一种基于复数相移陷波器和前馈控制的自平衡控制算法。介绍了磁悬浮转子系统的结构和工作原理,给出了含转子不平衡的磁悬浮转子系统动力学模型,分析了不平衡振动力的电气特性。推导了不平衡振动力的抑制条件,指出功率放大器引起的幅值和相位误差是影响不平衡振动抑制效果的主要因素。将磁悬浮转子两自由度平动方程转换为单自由度复数方程,设计了复数相移陷波器,建立数学方程并讨论了中心频率的幅值和相位特性。最后以磁悬浮控制力矩陀螺为测试平台,对提出的控制算法进行了实验验证。结果表明:采用该算法后不平衡振动力减小了94.1%,验证了该算法的有效性。此外本算法还具有动态过程平滑、计算量少等优点。     

主被动磁悬浮转子的不平衡振动自适应控制

针对主被动磁悬浮控制力矩陀螺转子高速旋转时产生的不平衡振动,提出了基于滑模观测器和陷波器的主被动磁悬浮转子不平衡振动自适应控制方法。该方法采用滑模观测器使同频振动的控制不受磁轴承的刚度参数摄动和磁力耦合的影响,将滑模观测器与陷波器结合,无需区分电流刚度力和位移刚度力,无需设计算法补偿功率放大器的影响,可自适应消除不平衡振动。对该方法进行了仿真和实验验证。仿真结果显示该方法可使同频轴承力大幅减小;实验结果显示,虽然主被动磁悬浮转子的被动轴承不可控,同频振动仍由0.053g减小为0.012g,减小了77%。得到的结果表明,该方法不仅适用于主被动磁悬浮转子,也适用于全主动磁悬浮转子。     

基于TMS320C6713B+FPGA数字控制器实现磁悬浮飞轮主动振动控制

为了抑制磁悬浮飞轮的振动,分析了磁悬浮飞轮的振动源.针对磁悬浮飞轮最主要的振动源-不平衡振动,给出了一种基于TMS320C6713B+FPGA数字控制器的磁悬浮飞轮主动振动控制实现方案.介绍了所采用的主动振动控制方法、数字控制器的硬件组成和功能原理,并讨论了DSP中主动振动控制算法的实现和FPGA中多任务管理及外设控制等.实验结果显示,采用本方法进行主动振动控制后,磁悬浮飞轮的不平衡振动衰减至3.2%,表明本实现方案对飞轮转子不平衡振动取得了很好的抑制效果,对于增加磁悬浮飞轮姿态控制的稳定性,提高对地观测分辨率具有重要意义与应用价值.     

机械抖动激光陀螺的随机振动响应分析

对机抖激光陀螺进行了随机振动响应分析,以考察其承受动力学环境的能力。介绍了基础激励下结构随机振动响应的分析方法,利用有限元分析软件ANSYS建立了机抖激光陀螺的有限元模型并进行了模态分析,与试验结果对比表明,计算误差＜7%,验证了模型的合理性和精确性。对机抖激光陀螺的轴向和横向随机振动激励进行了有限元计算,对轴向激励下随机振动的试验结果和有限元分析结果进行了对比,通过分析对结构加速度响应的功率谱密度等统计量,研究了随机振动试验中机抖激光陀螺结构的随机响应,指出了现有结构设计的薄弱环节,提出了改进意见,为机抖激光陀螺的研发和设计提供了参考依据。     

Dynamic characteristics of the rotor in a magnetically suspended control moment gyroscope with active magnetic bearing and passive magnetic bearing

For a magnetically suspended control moment gyroscope, stiffness and damping of magnetic bearing will influence modal frequency of a rotor. In this paper the relationship between modal frequency and stiffness and damping has been investigated. The mathematic calculation model of axial passive magnetic bearing (PMB) stiffness is developed. And PID control based on internal model control is introduced into control of radial active magnetic bearing (AMB), considering the radial coupling of axial PMB, a mathematic calculation model of stiffness and damping of radial AMB is established. According to modal analysis, the relationship between modal frequency and modal shapes is achieved. Radial vibration frequency is mainly influenced by stiffness of radial AMB; however, when stiffness increases, radial vibration will disappear and a high frequency bending modal will appear. Stiffness of axial PMB mainly affects the axial vibration mode, which will turn into high-order bending modal. Axial PMB causes bigger influence on torsion modal of the rotor.     

磁悬浮平台系统的机电耦合动力学模型及稳定性分析

给出了系统完整的机电耦合动力学模型。利用拉格朗日方程建立了系统的力学模型,考虑了平台各个电磁力之间的耦合以及传感器组的几何中心与平台质心不重合带来的耦合效应;基于PID控制理论建立了平台控制系统的微分方程,分析了传感器与控制磁极非共点安装产生的耦合影响。最后,基于系统的机电耦合动力学模型,进行了平台运动稳定性分析,得到了平台实现稳定悬浮时控制参数的选择范围,垂直方向:0.3＜K_p＜141.5,0＜K_d＜0.052,水平方向:0.3＜K_p＜77.4,0.001＜K_d＜0.038。实验结果表明,控制参数选择范围准确,稳定悬浮时平台具有良好的动、静态性能。     

三缸单作用柱塞泵十字头理论计算及有限元分析

介绍将理论与有限元相结合进行三缸单作用柱塞泵十字头强度分析的方法,以某柱塞泵十字头为例阐述理论分析与有限元分析的过程,并找出它的了危险点位置及应力值,且结果与实际情况相吻合.此研究方法,对同类问题的解决具有一定的参考价值.