CN102680172A - 一种大型旋转载荷动平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型旋转载荷动平衡控制方法，包括：创建多体挠性姿态动力学与控制模型，利用该模型验证旋转载荷残余动不平衡量指标，然后根据所述旋转载荷的特点和所述残余动不平衡量指标，选择合适的动平衡机；对所述旋转载荷中的转动体做平衡试验；将所述转动体安装到所述旋转载荷中后，对整个旋转载荷做动平衡试验，根据试验结果做配平操作，直到残余动不平衡量满足指标要求，最后输出旋转载荷最终的残余动不平衡量；对旋转载荷的残余动不平衡量进行校验。本发明解决了大型旋转载荷动平衡控制的工程实际问题，能有效减小由于动不平衡引起的干扰力矩对姿态的扰动。

Description

一种大型旋转载荷动平衡控制方法

技术领域

本发明涉及力学领域，更具体地说，涉及一种大型旋转载荷动平衡控制方法。

背景技术

对地观测在国民经济建设和国防建设中发挥着越来越重要的作用，作为航天高科技皇冠上的明珠，有效载荷的功能、性能决定了应用的广度和深度。目前世界各大国都在抓紧进行光学、红外、无线电、微波等有效载荷的研究，应用范围涉及测绘、资源勘查、侦察、气象、通信、导弹预警等领域。有效载荷往往涉及机、电、光、热多个学科，需要多学科协同工作才能完成预定的任务和功能。

某些有效载荷为了成像和保证一定的幅宽必须做扫描操作，因此载荷中不可避免地包含有转动部件，而转动部件的动不平衡现象会对其所在的平台产生扰动，影响卫星的姿控和有效载荷成像，甚至危害整个卫星的安全。因此需要对转动部件进行动平衡控制。

目前，转动部件动平衡控制主要集中在陀螺、飞轮等小型高速转动部件和自旋航天器等超大型自由转动部件上，对大型低速旋转载荷的动平衡控制的研究很少。随着应用范围的不断扩大和深入，对旋转载荷动平衡控制理论和方法的研究越来越迫切。

转动部件动平衡一般采用专用平衡机来实现，如陀螺转子平衡使用陀螺转子平衡机，自旋航天器配平使用宇航平衡机。普通平衡机一般由机械振动系统、驱动系统和电气测量系统三大部件组成，而陀螺转子平衡机由于陀螺自驱动特性，因而只有机械振动系统和电气测量系统。自旋航天器配平用的宇航平衡机由于航天器自身不能转动，因而必须含有驱动系统。但有这样一类旋转载荷：它的结构较为复杂，包括有转动体、承力外筒，所述转动体被安装在承力外筒里，如果仅对转动体进行配平，可能由于安装问题，旋转载荷整机工作时仍存在不平衡量，而残余不平衡量会对卫星姿控产生影响。现有技术中，在对旋转载荷进行动平衡控制时，仅对旋转载荷转动体进行配平，无法减少转动体安装在承力外筒所带来的不平衡量，不能满足旋转载荷动平衡控制的要求。

发明内容

为了克服现有技术中大型旋转载荷动不平衡对姿态扰动的问题，本发明提出一种能够减小旋转载荷动不平衡量对平台扰动影响的大型旋转载荷动平衡控制的方法。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种大型旋转载荷动平衡控制方法，包括：

步骤1)、创建多体挠性姿态动力学与控制模型，利用该模型验证旋转载荷残余动不平衡量指标，然后根据所述旋转载荷的特点和所述残余动不平衡量指标，选择合适的动平衡机；

步骤2)、对所述旋转载荷中的转动体做平衡试验；

步骤3)、将所述转动体安装到所述旋转载荷中后，对整个旋转载荷做动平衡试验，根据试验结果做配平操作，直到残余动不平衡量满足指标要求，最后输出旋转载荷最终的残余动不平衡量；

步骤4)、对旋转载荷的残余动不平衡量进行校验。

上述技术方案中，所述步骤2)包括：

步骤2-1)、对所述转动体的挠性部分做静平衡试验，根据静平衡试验的结果对所述转动体挠性部分做配平，输出所得到的静平衡配平参数；

步骤2-2)、将转动体挠性部分的质心尽量配平到转轴位置，然后将配平好的转动体挠性部分与转动体其余部分总成进行动平衡试验，并根据所述动平衡试验结果做动平衡配平，输出所得到的动平衡配平参数；

步骤2-3)、将转动体总成旋转轴配平成惯性主轴，旋转体总成质心配平到转轴位置。

上述技术方案中，在所述步骤4)中，所述校验包括数学仿真校验，在所述数学仿真校验的过程中，将步骤3)所得到的旋转载荷的残余动不平衡量输入到步骤1)所建立的多体挠性姿态动力学与控制模型中，检验所述残余动不平衡量对姿态的影响。考察检验结果是否能够满足已知的姿态控制系统的指标要求。

上述技术方案中，在所述步骤4)中，所述校验还包括全物理仿真校验，在所述全物理仿真校验的过程中，将步骤3)中配平好的旋转载荷整机放置在三轴气浮台上进行全物理仿真试验，检测输出旋转载荷转动产生的干扰力矩，并分析其对姿态的影响，若不满足已知的姿态控制系统的指标要求，则需重新进行步骤2)和步骤3)的操作。

上述技术方案中，在所述的步骤1)中，所述的多体挠性姿态动力学与控制模型如下面的公式(1)所示：

其中，

是整星转动惯量，

是姿态角速度，

是转动体上的飞轮产生的力矩，ω_a是旋转载荷的转速，m是旋转载荷的质量，

是旋转载荷安装点到质心的矢径，

是旋转载荷质心到其转轴的矢径，J_yz、J_xz是旋转载荷绕转轴Z的惯性积，η为模态变量，Ω为挠性附件振动基频，ξ为挠性附件振动阻尼系数，BR为挠性附件相对质心的转动耦合系数；

${\mathrm{\ω}}_a^{2}m{\stackrel{\→}{R}}_a\×\stackrel{\→}{e}+{\mathrm{\ω}}_a^2{\left(\begin{array}{ccc}{-J}_{\mathrm{yz}}& J_{\mathrm{xz}}& 0\end{array}\right)}^T=-{\mathrm{\ω}}_a^2{\stackrel{\→}{R}}_a\×\left(m_3{\stackrel{\→}{r}}_3\right)+{\mathrm{\ω}}_a^2{\left(\begin{array}{ccc}{m}_1{r}_{1}b\sin \mathrm{\θ}& -m_1{r}_{1}b\cos \mathrm{\θ}& 0\end{array}\right)}^T---\left(2\right)$

是旋转载荷残余静不平衡量，m₁r₁b是旋转载荷残余偶不平衡量，θ是一配重块的相位；

所述残余动不平衡量指标包括可：所述旋转载荷残余静不平衡量与所述旋转载荷残余偶不平衡量。

本发明的优点在于：

采用传统动平衡配平方法，即仅对转动体总成进行动平衡配平不能对旋转载荷有效配平。本发明从大型低速复杂旋转载荷结构和工作原理出发，采用先转动体部分静平衡，后转动体总成动平衡，最后旋转载荷整机动平衡的方法对旋转载荷配平，具有有效减小旋转载荷整机残余动不平衡量的有益效果。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为对转动体做平衡试验时的流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的优选实施例。

在对本发明的方法做详细说明之前，首先对本发明方法所涉及的旋转载荷进行说明。所述旋转载荷包括转动体和承力外筒，在装配过程中，所述转动体被安装在承力外筒内。所述转动体又由挠性部分和刚性部分组成，其中的挠性部分由可展开的收拢机构支撑。

参考图1，本发明的大型旋转载荷动平衡控制方法包括以下步骤：

步骤1)、创建多体挠性姿态动力学与控制模型，利用该模型验证旋转载荷残余动不平衡量指标，然后根据所述旋转载荷的特点和所述残余动不平衡量指标，选择合适的动平衡机。

在本步骤中，在创建多体挠性姿态动力学与控制模型前，需要输入整星的质量特性参数、卫星上太阳能帆板的挠性特性参数、旋转载荷参数和控制系统参数；其中，所述的整星的质量特性参数包括整星质量、转动惯量、质心位置；所述的太阳能帆板挠性特性参数包括频率、振型；所述的旋转载荷参数包括旋转载荷的质量、转动惯量、质心位置等质量特性参数，安装位置，以及旋转载荷的转速等运动特性参数，所述控制系统参数包括姿态控制系统参数，所述姿态控制系统参数在后续的校验步骤中将会被用到。

根据上述参数，所建立的多体挠性姿态动力学与控制模型如下面的公式(1)所示：

式中，

是整星转动惯量，是姿态角速度，

是转动体上的飞轮产生的力矩，ω_a是旋转载荷的转速，m是旋转载荷的质量，

是旋转载荷安装点到质心的矢径，

是旋转载荷质心到其转轴的矢径，J_yz、J_xz是旋转载荷绕转轴Z的惯性积，η为模态变量，Ω为挠性附件振动基频，ξ为挠性附件振动阻尼系数，BR为挠性附件相对质心的转动耦合系数。

上述公式(1)中，

为旋转载荷转动产生的干扰力矩，可以看出，要计算此干扰力矩需知道旋转载荷质心位置、绕转轴的惯性积，而对于背景技术中所提到的结构复杂的旋转载荷而言，其惯性积的测量很困难，由于旋转载荷转动产生的干扰力矩对姿态的扰动正是由于旋转载荷残余动不平衡量引起的，因此在下面的公式(2)中，通过测量旋转载荷的动不平衡量来计算其转动产生的干扰力矩。

${\mathrm{\ω}}_a^{2}m{\stackrel{\→}{R}}_a\×\stackrel{\→}{e}+{\mathrm{\ω}}_a^2{\left(\begin{array}{ccc}{-J}_{\mathrm{yz}}& J_{\mathrm{xz}}& 0\end{array}\right)}^T=-{\mathrm{\ω}}_a^2{\stackrel{\→}{R}}_a\×\left(m_3{\stackrel{\→}{r}}_3\right)+{\mathrm{\ω}}_a^2{\left(\begin{array}{ccc}{m}_1{r}_{1}b\sin \mathrm{\θ}& -m_1{r}_{1}b\cos \mathrm{\θ}& 0\end{array}\right)}^T---\left(2\right)$

式中，

是旋转载荷残余静不平衡量，m₁r₁b是旋转载荷残余偶不平衡量，θ是一配重块的相位。

结合上述的公式(1)与公式(2)，旋转载荷残余静不平衡量与旋转载荷偶不平衡量就是所要验证的旋转载荷残余动不平衡量指标。

在得到经过验证的旋转载荷残余动不平衡量指标后，根据这些指标，可选择满足功能与性能要求的动平衡机。

步骤2)、对转动体做平衡试验。

参考图2，在本步骤中，对转动体做平衡试验包括：

步骤2-1)、为减小转动体挠性部分配重，对转动体挠性部分做静平衡试验，根据静平衡试验的结果对所述转动体挠性部分做配平，输出所得到的静平衡配平参数；

步骤2-2)、将转动体挠性部分的质心尽量配平到转轴位置，然后将配平好的转动体挠性部分与转动体其余部分总成进行动平衡试验，并根据所述动平衡试验结果做动平衡配平，输出所得到的动平衡配平参数；

步骤2-3)、将转动体总成旋转轴尽量配平成惯性主轴，旋转体总成质心尽量配平到转轴位置。

步骤3)、对整个旋转载荷做动平衡试验。

将配平好的转动体总成装入旋转载荷的承力外筒，然后使用旋转载荷自身的驱动装置进行旋转载荷整机动平衡，根据试验结果做配平操作，直到残余动不平衡量满足指标要求，最后输出旋转载荷最终的残余动不平衡量。这一过程在步骤1)中所选择的动平衡机上实现。

步骤4)、对旋转载荷的残余动不平衡量进行校验。

在本实施例中，所述的校验包括数学仿真校验和全物理仿真校验，两者之间相互独立。

在数学仿真校验的过程中，步骤3)所得到的旋转载荷的残余动不平衡量输入到步骤1)所建立的多体挠性姿态动力学与控制模型中，检验所述残余动不平衡量对姿态的影响。考察检验结果是否能够满足姿态控制系统的指标要求。

在全物理仿真校验的过程中，将步骤3)中配平好的旋转载荷整机放置在三轴气浮台上进行全物理仿真试验，检测输出旋转载荷转动产生的干扰力矩，并分析其对姿态的影响，若不满足姿态控制系统的指标要求，则需重新进行步骤2)和步骤3)的操作。

以上是对本发明的大型旋转载荷动平衡控制方法的说明，本发明采取先对旋转载荷中的转动体做平衡操作，然后对旋转载荷整机做平衡操作，可以在实现整机动平衡的同时有效减少转动体挠性部分的配重，减小挠性支撑机构的变形量，提高旋转载荷运动的稳定性和观测的准确性。

本发明旋转载荷动平衡控制方法，已用在一种旋转载荷动平衡控制上，在建立多体挠性姿态动力学模型的基础上，根据姿态控制系统指标，确定旋转载荷动不平衡量指标，首先对转动体挠性部分进行静平衡，然后对转动体总成进行动平衡，最后对旋转载荷整机进行动平衡，经在轨测试，姿态参数完全满足指标要求，表明旋转载荷动平衡控制有效。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的旋转载荷动平衡控制方法进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (5)

1.一种大型旋转载荷动平衡控制方法，包括：

步骤1)、创建多体挠性姿态动力学与控制模型，利用该模型验证旋转载荷残余动不平衡量指标，然后根据所述旋转载荷的特点和所述残余动不平衡量指标，选择合适的动平衡机；

步骤2)、对所述旋转载荷中的转动体做平衡试验；

步骤3)、将所述转动体安装到所述旋转载荷中后，对整个旋转载荷做动平衡试验，根据试验结果做配平操作，直到残余动不平衡量满足指标要求，最后输出旋转载荷最终的残余动不平衡量；

步骤4)、对旋转载荷的残余动不平衡量进行校验。

2.根据权利要求1所述的大型旋转载荷动平衡控制方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

步骤2-1)、对所述转动体的挠性部分做静平衡试验，根据静平衡试验的结果对所述转动体挠性部分做配平，输出所得到的静平衡配平参数；

步骤2-2)、将转动体挠性部分的质心尽量配平到转轴位置，然后将配平好的转动体挠性部分与转动体其余部分总成进行动平衡试验，并根据所述动平衡试验结果做动平衡配平，输出所得到的动平衡配平参数；

步骤2-3)、将转动体总成旋转轴配平成惯性主轴，旋转体总成质心配平到转轴位置。

3.根据权利要求1所述的大型旋转载荷动平衡控制方法，其特征在于，在所述步骤4)中，所述校验包括数学仿真校验，在所述数学仿真校验的过程中，将步骤3)所得到的旋转载荷的残余动不平衡量输入到步骤1)所建立的多体挠性姿态动力学与控制模型中，检验所述残余动不平衡量对姿态的影响。考察检验结果是否能够满足已知的姿态控制系统的指标要求。

4.根据权利要求3所述的大型旋转载荷动平衡控制方法，其特征在于，在所述步骤4)中，所述校验还包括全物理仿真校验，在所述全物理仿真校验的过程中，将步骤3)中配平好的旋转载荷整机放置在三轴气浮台上进行全物理仿真试验，检测输出旋转载荷转动产生的干扰力矩，并分析其对姿态的影响，若不满足已知的姿态控制系统的指标要求，则需重新进行步骤2)和步骤3)的操作。

5.根据权利要求1所述的大型旋转载荷动平衡控制方法，其特征在于，在所述的步骤1)中，所述的多体挠性姿态动力学与控制模型如下面的公式(1)所示：

其中，

是整星转动惯量，

是姿态角速度，

是转动体上的飞轮产生的力矩，ω_a是旋转载荷的转速，m是旋转载荷的质量，

是旋转载荷安装点到质心的矢径，

是旋转载荷质心到其转轴的矢径，J_yz、J_xz是旋转载荷绕转轴Z的惯性积，η为模态变量，Ω为挠性附件振动基频，ξ为挠性附件振动阻尼系数，BR为挠性附件相对质心的转动耦合系数；

${\mathrm{\ω}}_a^{2}m{\stackrel{\→}{R}}_a\×\stackrel{\→}{e}+{\mathrm{\ω}}_a^2{\left(\begin{array}{ccc}{-J}_{\mathrm{yz}}& J_{\mathrm{xz}}& 0\end{array}\right)}^T=-{\mathrm{\ω}}_a^2{\stackrel{\→}{R}}_a\×\left(m_3{\stackrel{\→}{r}}_3\right)+{\mathrm{\ω}}_a^2{\left(\begin{array}{ccc}{m}_1{r}_{1}b\sin \mathrm{\θ}& -m_1{r}_{1}b\cos \mathrm{\θ}& 0\end{array}\right)}^T---\left(2\right)$

是旋转载荷残余静不平衡量，m₁r₁b是旋转载荷残余偶不平衡量，θ是一配重块的相位；

所述残余动不平衡量指标包括可：所述旋转载荷残余静不平衡量与所述旋转载荷残余偶不平衡量。

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