CN101493701B - 基于地面磁场的偏置动量控制仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于地面磁场的偏置动量控制仿真方法，涉及小卫星姿态控制系统偏置控制方案的原理验证、地面仿真试验设备及其测试方法技术领域。基于地面磁场实现动量轮卸载的方法，其特征在于动量轮处于偏置控制方式，动量轮克服气浮台扰动力矩，通过姿态控制律实现气浮台角度及角速度控制；磁强计标定气浮台平面磁场强度并存入文件，在需要卸载动量轮多余角动量情况下，查表获取气浮台面各点磁场强度，根据卸载控制律，计算目标输出磁矩；磁力矩器与当地地磁场相互作用，产生磁力矩卸载动量轮多余角动量。本专利采用当地磁场进行动量轮卸载，可以实现低成本动量轮卸载原理验证，同时也为偏置角动量控制方案地面仿真试验的开展提供了一种新的路径。
Description
技术领域
本发明涉及小卫星姿态控制系统偏置控制方案的原理验证、地面仿真试验设备及其测试方法。
背景技术
偏置动量控制方案是小卫星采用的经典控制方式，由动量轮和磁力矩器联合实现小卫星的姿态控制。偏置动量控制方案的地面原理验证对于控制方案的确认和控制策略的完善是微小卫星姿态控制系统地面仿真试验的一个重要环节。目前地面仿真试验都采用磁模拟器产生磁场，将气浮台及台上设备放入磁模拟器内部。这种实施方案成本高，需要磁模拟器的研制费用，且磁强计和磁力矩器需要分时工作，磁力矩器不能实现连续控制。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于地面磁场的偏置动量控制仿真方法。利用当地磁场环境实现动量轮和磁棒控制气浮台的试验方法及设备。利用当地磁场实现动量轮卸载无需研制磁模拟器，可以节省成本。另外采用磁强计标定气浮台各点的磁场强度，避免了磁强计和磁力矩器分时工作的问题，磁力矩器可以实时、连续工作。
一种基于地面磁场的偏置动量控制仿真方法，其特征在于：
(1)、使用磁强计标定气浮台转动一圈范围内各角度对应的磁场强度；
(2)、利用地面监控计算机设定动量轮指令电压，使动量轮工作在偏置角动量状态，并设定动量轮角动量调节范围；
(3)、人为将气浮台处于一个初始的角度和角速度状态；
(4)、利用地面监控计算机设置气浮台目标角度和目标角速度；
(5)、利用测角装置接收当前气浮台角度信号，并经地面监控计算机处理得到气浮台当前角度和角速度；
(6)、地面监控计算机判断气浮台当前是否已经到达目标角度和目标角速度，如果没有，则根据姿态控制律计算动量轮指令电压，并输出到台上控制计算机，台上计算机通过数字模拟转换模块输出到动量轮；
(7)、台上控制计算机采集动量轮转速遥测信号发送到地面监控计算机；
(8)、地面监控计算机根据动量轮转速遥测信号和角动量预设值判断是否需要卸载动量轮角动量，如果需要卸载，根据第(1)步标定信息获取当前角度对应的磁场强度信息，根据卸载控制律计算磁棒A和磁棒B的指令电压，地面计算机输出磁棒A和磁棒B的指令电压到台上控制计算机，台上计算机经过数字模拟转换模块输出到磁棒A和磁棒B；磁棒A和磁棒B与大地磁场相互作用卸载载动量轮角动量。
一种基于地面磁场的偏置动量控制仿真装置，其特征在于包括：单轴气浮台、气浮台上设备和地面设备；
(1)、其中气浮台上设备包括磁强计、磁力矩器、动量轮及控制器、台上控制计算机、电源模块；
其中磁力矩器包括磁棒A和磁棒B，以及控制盒；
其中台上控制计算机采用PC104总线模块组成，包括：主板，实现动量轮转速、磁力矩器遥测电流、磁强计敏感的磁场强度的数据采集的采集板，实现台上控制计算机与地面监控计算机之间的数据传输的无线通讯板，输出动量轮转速指令信号、磁棒A和磁棒B的指令信号的模拟数据输出板；
(2)、其中地面设备包括地面监控计算机和气浮台测角装置。
本发明专利与国内外同类技术相比具有如下积极效果：
(1)、节约成本。目前国内外采用的磁控方案在地面仿真验证的也都采用磁模拟器产生可控磁场。而本发明无需磁模拟器装置，直接利用本地磁场强度，直接实现磁控功能，节约了成本；
(2)、本试验避免了磁强计与磁力矩的分时工作问题；在试验开始阶段，使用磁强计对气浮台0～360°范围内的磁场强度进行了标定，可供卸载控制律计算所需的磁场强度查表。因此磁力矩在全控制周期都可以正常工作的情况；
(3)、可以实现姿态控制系统动量轮+磁控方案的原理验证，在地面提供了一个直观的小卫星偏置动量控制方案的验证方法；
(4)、本试验装置已经在南航姿轨控实验室得到了试验验证，可以实现气浮台上偏置动量轮和磁控联合控制的仿真验证，动量轮能将气浮台控制到期望的角度和角速度，磁棒A和磁棒B能够确保动量轮不饱和，气浮台角度控制误差能达到0.01°，角速度控制误差能达到0.005°/s。
说明书附图
图1为动量轮磁控组合控制气浮台闭环回路。
图2为硬件组成图。
图3控制计算机功能。
图4为磁棒在气浮台上放置示意图。
图5地面监控计算机功能。
图6装置数据通讯方式。
图7动量轮磁控组合控制气浮台控制流程。
具体实施方法：
本发明的技术问题可以采用以下方案来实现：
基于地面磁场实现动量轮卸载的方法，动量轮和磁控联合实现气浮台地面仿真闭环回路如图1所示。其特征在于动量轮处于偏置控制方式，动量轮克服气浮台扰动力矩，通过姿态控制律实现气浮台角度及角速度控制；磁强计标定气浮台平面磁场强度，在需要卸载动量轮多余角动量情况下，根据卸载控制律，计算目标输出磁矩；磁力矩器与当地地磁场相互作用，产生磁力矩卸载动量轮多余角动量。
本发明的设备分气浮台上设备和地面设备，如图2所示。
气浮台上设备包括：磁强计、磁棒A和磁棒B、动量轮及控制器、控制计算机、电源模块，地面监控计算机，控制计算机采用PC104总线模块组成，包括主板、数据采集板、无线通讯板、模拟数据输出板、功率驱动电路。功率驱动电路实现磁棒A和磁棒B的驱动；数据采集板(简称AD板)实现动量轮转速、磁力矩器遥测电流、磁强计敏感的磁场强度的采集；模拟输出板(简称DA板)输出动量轮转速指令信号、磁棒A和磁棒B的指令信号，无需通讯板实现台上控制计算机与地面监控计算机之间的数据传输。
控制计算机的功能如图3所示，包括：接收地面监控计算机发来的磁棒A和磁棒B的指令电压，通过DA输出到磁棒A和磁棒B；接收动量轮指令电压，通过DA输出到动量轮；通过AD板采集动量轮转速指令和磁棒A、磁棒B的遥测电流，并发送到地面监控计算机。
磁棒A和磁棒B在台面上放置如图4所示，磁棒A和磁棒B相互垂直放置，可以实现气浮台平面任意角度的角动量卸载。磁强计敏感当地磁场强度。
地面设备包括：地面监控计算机、测角装置。
地面监控计算机的功能如图5所示，包括：可设定气浮台转动角度和角速度；从测角装置接收当前气浮台角度信号，并经过计算得到角速度信号；根据姿态控制律计算动量轮指令电压，并发送到控制计算机；根据卸载控制律计算期望磁矩，并将期望磁矩转换为磁棒A和磁棒B指令电压，发送到控制计算机。
本发明的设备数据通讯方式如图6所示。气浮台上计算机与地面监控计算机之间采用无线通讯实现数据传输。光栅测角装置与地面监控计算机之间采用串口实现数据传输。
本发明的工作流程如图7所示，详细叙述如下：
(1)、利用磁强计标定气浮台转动一圈范围内各点对应的磁场强度，并存入表格；
(2)、从地面监控计算机设定动量轮偏置控制电压，使动量轮工作在偏置角动量状态，并人为将气浮台处于一个初始的角度和角速度状态；
(3)、从地面监控计算机设置气浮台目标角度和角速度；
(4)、地面监控计算机读取光栅测角数据，并经过处理得到气浮台当前角度和角速度；
(5)、判断气浮台是否已经到达期望角度和角速度，如果没有，则根据姿态控制律计算动量轮指令电压，并输出到控制计算机；
(6)、控制计算机采集动量轮转速遥测信号、磁力矩器遥测电流信号，发送到地面监控计算机；
(7)、地面监控计算机判断是否需要卸载动量轮角动量，如果需要卸载，则查表获取当前角度对应的磁场强度信息，根据卸载控制律计算磁棒A和磁棒B的指令电压；如果无需卸载，则磁棒A和磁棒B的指令电压为0；输出磁棒A和磁棒B的指令电压到控制计算机；
(8)、地面监控计算机接收磁棒A和磁棒B的指令电压，并经过DA输出到磁棒A和磁棒B。磁棒A和磁棒B与大地磁场相互作用卸载载动量轮角动量；
(9)、重复步骤3～8。
以下为本发明的一个具体实施例，主要技术实施方式包括：
1.装置组成
本发明的装置包括单轴气浮台、测角装置、微型动量轮、磁棒A和磁棒B、磁强计，地面监控计算机、台上控制计算机。其主要设备的性能指标如下所示：
(1)单轴气浮台
空载扰动力矩：小于2×10-4Nm；
负载能力：100kg；
最大负载情况下扰动力矩：小于1×10-3Nm。
(2)测角装置
测角精度：5″；
测角范围：0～360°。
(3)微型动量轮
中心角动量：0.4Nms；
角动量调节范围：±0.1Nms；
最大反作用力矩：10mNm。
(4)磁棒A和磁棒B
最大输出磁矩：100Am2。
(5)磁强计
量程：-100000～+100000nT；
精度：200nT。
2.工作步骤
(1)标定气浮台转动一圈范围内各点对应的磁场强度。设置气浮台0°位置，以0.5°为间隔，开启磁强计，转动气浮台360°，记录0～359.5°对应的磁场强度值。重复以上操作2次，3次的平均值作为气浮台角度对应的当地磁场强度值，并存入表格；关闭磁强计。
(2)从地面监控计算机设定动量轮偏置控制电压为3V，对应动量轮角动量为0.4Nms，使动量轮工作在偏置角动量状态；设定动量轮角动量调节范围为：0.36～0.44Nms；
(3)人为将气浮台稳定初始角度为1±0.2°，初始角速度为0.01±0.002°/s；
(4)从地面监控计算机设置期望气浮台目标角度为180°±0.02°，目标角速度为＜±0.002°/s；转动过程中气浮台转动角速度在0.5～1°/s；
(5)地面监控计算机读取光栅测角数据，并经过处理得到气浮台当前角度和角速度；
(6)判断气浮台是否已经到达180°，角速度是否满足0.5～1°/s范围，根据姿态控制律(如PD控制)计算动量轮指令电压，并输出到控制计算机；；
(7)控制计算机采集动量轮转速遥测信号、磁力矩器遥测电流信号，发送到地面监控计算机；
(8)地面监控计算机接收动量轮遥测转速信号，判断动量轮角动量是否超出角动量调节范围，判断是否需要卸载动量轮角动量。如果需要卸载，则查表得到当前气浮台角度对应的磁场强度值，根据卸载控制律计算磁棒A和磁棒B的指令电压；如果无需卸载，则磁棒A和磁棒B的指令电压为0；输出磁棒A和磁棒B的指令电压到控制计算机；
(9)地面监控计算机接收磁棒A和磁棒B的指令电压，并经过DA输出到磁棒A和磁棒B；
(10)重复步骤3～9。
本发明装置已经在南京航空航天大学姿轨控实验室进行了试验验证。区别于其它地面仿真方案，本发明无需磁模拟器设备，而且卸载动量轮方法简单、可行。根据当前磁棒放置情况，可以实现气浮台转动任意角度的角动量卸载，经过仿真，该方案可以实现气浮台任意角度控制，且动量轮角动量不饱和，完全可以满足功能需求。
Claims (3)
1.一种基于地面磁场的偏置动量控制仿真方法，其特征在于：
(1)、使用磁强计标定气浮台转动一圈范围内各角度对应的磁场强度；
(2)、利用地面监控计算机设定动量轮指令电压，使动量轮工作在偏置角动量状态，并设定动量轮角动量调节范围；
(3)、人为将气浮台处于一个初始的角度和角速度状态；
(4)、利用地面监控计算机设置气浮台目标角度和目标角速度；
(5)、利用测角装置接收当前气浮台角度信号，并经地面监控计算机处理得到气浮台当前角度和角速度；
(6)、地面监控计算机判断气浮台当前是否已经到达目标角度和目标角速度，如果没有，则根据姿态控制律计算动量轮指令电压，并输出到台上控制计算机，台上计算机通过数字模拟转换模块输出到动量轮；
(7)、台上控制计算机采集动量轮转速遥测信号发送到地面监控计算机；
(8)、地面监控计算机根据动量轮转速遥测信号和角动量预设值判断是否需要卸载动量轮角动量，如果需要卸载，根据第(1)步标定信息获取当前角度对应的磁场强度信息，根据卸载控制律计算磁棒A和磁棒B的指令电压，地面计算机输出磁棒A和磁棒B的指令电压到台上控制计算机，台上计算机经过数字模拟转换模块输出到磁棒A和磁棒B；磁棒A和磁棒B与大地磁场相互作用卸载动量轮角动量。
2.根据权利要求1所述的基于地面磁场的偏置动量控制仿真方法，其特征在于：第(8)步所述磁棒A和磁棒B垂直放置。
3.根据权利要求1所叙述基于地面磁场的偏置动量控制仿真方法，其特征在于：台上控制计算机与地面监控计算机之间采用无线通讯进行数据传输。
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