CN106681175A - 减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，包含：S1、由地面动力学仿真计算机采集反作用飞轮的转速脉冲数和转向信号；S2、对相邻采样周期内的转速脉冲数的差值进行阈值判断，对转向信号进行滤波，得到当前采样周期内的转速脉冲数和转向信号；S3、计算反作用飞轮的当前转速；S4、对相邻采样周期内的转速进行差分处理，计算当前反作用飞轮输出的控制力矩；S5、对输出的控制力矩限幅处理；S6、将输出的控制力矩及转速输入卫星动力学模型中，实现对地面卫星姿态控制系统的闭环控制。本发明能减小系统延迟，减小对系统相位稳定裕度的影响，提高卫星姿态控制系统的测试精度，实现地面控制卫星姿态高稳定性和快速机动的能力。

Description

减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法

技术领域

本发明涉及一种离散化方法，具体是指一种能够减小反作用飞轮接入半物理系统时所带来的延迟的离散化方法，属于卫星仿真测试的技术领域。

背景技术

随着卫星技术的不断发展，要求其具有快速多目标捕获、再定向及跟踪等功能。在系统方案上，要满足快速姿态机动的要求，需要系统提高控制带宽，使得相应的相位稳定裕度随之降低。一般在系统方案设计时，会留有一定的相位稳定裕度余量，以满足工程上的指标，保证系统是稳定的。在进行半物理仿真试验验证时，由于反作用飞轮等执行机构通过地测接口转速进入动力学，转速差分处理得到力矩作用在卫星动力学上。差分处理使得系统带来时滞的影响，系统的相位稳定裕度余量会被延迟带来的相位减小所蚕食，严重的时候，在半物理试验中系统会出现不稳定现象。并且差分处理可能使得执行机构的控制力矩被放大，无法真实模拟单机的力矩特性。

为了解决上述问题，目前亟需提出一种可减小反作用飞轮接入半物理系统时的延迟的离散化方法，实现系统低延迟、力矩性能高保真的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，能减小系统延迟，减小对系统相位稳定裕度的影响，提高卫星姿态控制系统的测试精度，实现地面控制卫星姿态高稳定性和快速机动的能力。

为实现上述目的，本发明提供一种减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，包含以下步骤：

S1、建立反作用飞轮与地面动力学仿真计算机之间的连接，通过地面动力学仿真计算机采集反作用飞轮的转速脉冲数和转向信号；

S2、对相邻两个采样周期内采集到的反作用飞轮的转速脉冲数的差值进行阈值判断，对反作用飞轮的转向信号进行滤波处理，分别得到当前采样周期内采集到的转速脉冲数和转向信号；

S3、根据采集到的当前采样周期内的转速脉冲数和转向信号，计算当前采样周期内反作用飞轮的转速；

S4、对相邻两个采样周期内反作用飞轮的转速进行差分处理，并计算当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩；

S5、对计算得到的当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩进行限幅处理；

S6、将进行限幅处理后的当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩、以及当前采样周期内反作用飞轮的转速输入卫星动力学模型中，得到卫星姿态控制参数，实现对地面卫星姿态控制系统的闭环控制。

所述的S1中，反作用飞轮的测试接口与地面动力学仿真计算机的硬件接口板卡之间连接，且通过地面动力学仿真计算机的硬件接口板卡采集反作用飞轮的转速脉冲数和转向信号。

所述的S1中，反作用飞轮的转速脉冲数由反作用飞轮的转速决定，反作用飞轮的转速由地面卫星姿态控制系统控制。

所述的S2中，具体包含以下步骤：

S21、对相邻两个采样周期内采集到的转速脉冲数的差值进行阈值判断；

设定N_i(k)为第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转速脉冲数，判断|N_i(k)-N_i(k-1)|≥1600是否成立；如是，则当前第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转速脉冲数为N_i(k)＝N_i(k)；如否，则当前第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转速脉冲数为N_i(k)＝-N_i(k)；

S22、对转向信号进行滤波处理；

设定sign_i为第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转向信号；判断其正向累加数是否大于负向累加数；如是，则当前第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转向信号为sign_i＝1；如否，则当前第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转向信号为sign_i＝-1。

所述的S21中，对反作用飞轮的转速脉冲数进行采集的采样周期为100ms。

所述的S22中，对反作用飞轮的转向信号进行采集的采样周期为20ms。

所述的S3中，将采集到的当前采样周期内的反作用飞轮的转速脉冲数和转向信号相乘，并乘以脉冲当量，计算得到当前采样周期内反作用飞轮的转速为：

其中，N₀为反作用飞轮转动一周所产生的脉冲个数；N_i(k)为第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转速脉冲数；sign_i为第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转向信号；ω_i(k)为第k个采样周期内第i个反作用飞轮的转速。

所述的S4中，具体包含以下步骤：

S41、对相邻两个采样周期内采集到的反作用飞轮的转速进行差分处理；

Δω_i(k)＝ω_i(k)-ω_i(k-1)；

其中，i＝x1,x2,y,z,s，分别代表接入系统的飞轮方向；k＝1,2,3,…；

S42、计算当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩；

其中，t_s为反作用飞轮的转速脉冲数的采样周期；J_i为反作用飞轮的转动惯量；为第k个采样周期内第i个反作用飞轮输出的控制力矩。

所述的S5中，对计算得到的当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩进行限幅处理，使其绝对值不大于预设的限幅值：

其中，为针对反作用飞轮输出的控制力矩而预设的限幅值。

综上所述，本发明所提供的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，适用于高精度高稳定度控制、并具有快速机动能力的卫星半物理仿真试验；能尽量减小系统延迟，减小对系统相位稳定裕度的影响，提高卫星姿态控制系统的测试精度；解决了地面闭环测试时因执行机构反作用飞轮接入半物理系统而带来的延迟问题，也解决了因系统时滞对带宽较高的控制系统带来的稳定性影响问题，可提高仿真的真实性，有利于在地面验证卫星姿态控制方案的有效性和可行性，实现在地面控制卫星姿态高稳定性和快速机动的能力，为高精度高稳定度卫星在轨飞行提供有力的支撑。

附图说明

图1为本发明中的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法的示意图。

具体实施方式

以下结合图1，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1所示，为本发明所提供的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，包含以下步骤：

S1、建立反作用飞轮与地面动力学仿真计算机之间的连接，通过地面动力学仿真计算机采集反作用飞轮的转速脉冲数和转向信号；

S2、对相邻两个采样周期内采集到的反作用飞轮的转速脉冲数的差值进行阈值判断，对反作用飞轮的转向信号进行滤波处理，分别得到当前采样周期内采集到的转速脉冲数和转向信号，避免反作用飞轮过零时出现误计算；

S3、根据采集到的当前采样周期内的转速脉冲数和转向信号，计算当前采样周期内反作用飞轮的转速；

S4、对相邻两个采样周期内反作用飞轮的转速进行差分处理，并计算当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩；

S5、对计算得到的当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩进行限幅处理，避免因采集误差而带来的异常力矩；

S6、将进行限幅处理后的当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩、以及当前采样周期内反作用飞轮的转速输入卫星动力学模型中，得到卫星姿态控制参数，实现对地面卫星姿态控制系统的闭环控制。

所述的S1中，反作用飞轮的测试接口与地面动力学仿真计算机的硬件接口板卡之间采用RS422方式连接，且通过地面动力学仿真计算机的硬件接口板卡采集反作用飞轮的转速脉冲数和转向信号。

所述的S1中，反作用飞轮的转速脉冲数是根据反作用飞轮的转速决定的，而反作用飞轮的转速则是由地面卫星姿态控制系统控制的。

所述的S2中，具体包含以下步骤：

S21、对相邻两个采样周期内采集到的转速脉冲数的差值进行阈值判断；

设定N_i(k)为第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转速脉冲数，判断|N_i(k)-N_i(k-1)|≥1600是否成立；如是，则当前第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转速脉冲数为N_i(k)＝N_i(k)；如否，则当前第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转速脉冲数为N_i(k)＝-N_i(k)；

S22、对转向信号进行滤波处理；

设定sign_i为第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转向信号；判断其正向累加数是否大于负向累加数；如是，则当前第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转向信号为sign_i＝1；如否，则当前第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转向信号为sign_i＝-1。

所述的S21中，对反作用飞轮的转速脉冲数进行采集的采样周期为100ms。本实施例中，由于采用高精度光电编码器来采集反作用飞轮的转速脉冲数，输出的转速信息是经过两倍频处理后的转速脉冲信号。因此，在相同的采样周期内，如果转速越低，脉冲数也越少。由于采集过程中存在一定的误差，最大为1个脉冲，当采样周期越短，转速信息误差越大。又由于后续步骤中的力矩计算是通过转速差分处理而得到的，并且具有一定的时间延迟。因此，为了减小延迟，同时又保证转速信息的采集精度，综合考虑后，将S21中对反作用飞轮的转速脉冲数的采样周期定为100ms。

所述的S22中，对反作用飞轮的转向信号进行采集的采样周期为20ms。本实施例中，对100ms内的转向信号进行滤波处理的方法是，每间隔20ms的采样周期采集一次转向信号，并分别判断各个转向信号的正向累加数是否大于负向累加数，如是，则sign_i＝1；如否，则sign_i＝-1，从而完成对反作用飞轮的转向信号的滤波处理。

所述的S3中，将采集到的当前采样周期内的反作用飞轮的转速脉冲数和转向信号相乘，并乘以脉冲当量，计算得到当前采样周期内反作用飞轮的转速为：

其中，N₀为反作用飞轮转动一周所产生的脉冲个数；N_i(k)为第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转速脉冲数；sign_i为第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转向信号；ω_i(k)为第k个采样周期内第i个反作用飞轮的转速。

所述的S4中，具体包含以下步骤：

S41、对相邻两个采样周期内采集到的反作用飞轮的转速进行差分处理；

Δω_i(k)＝ω_i(k)-ω_i(k-1)；

其中，i＝x1,x2,y,z,s，分别代表接入系统的飞轮方向；k＝1,2,3,…；

S42、计算当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩；

其中，t_s为反作用飞轮的转速脉冲数的采样周期；J_i为反作用飞轮的转动惯量；为第k个采样周期内第i个反作用飞轮输出的控制力矩；本实施例中，t_s＝100ms。

所述的S5中，对计算得到的当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩进行限幅处理，使其绝对值不大于预设的限幅值：

其中，为针对反作用飞轮输出的控制力矩而预设的限幅值。

本实施例中，所述的地面动力学仿真计算机采用嵌入式强实时性的操作系统实现，仿真周期为1ms。通过反作用飞轮的测试接口传输其转速脉冲信息，并由地面动力学仿真计算机的硬件接口板卡进行采集，通过离散方法计算反作用飞轮的转速和输出的控制力矩，实现闭环控制。

综上所述，本发明所提供的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，适用于高精度高稳定度控制、并具有快速机动能力的卫星半物理仿真试验，利用反作用飞轮的测试接口采集其转速脉冲数和转向信号，通过滤波处理后计算得到反作用飞轮的转速和输出的控制力矩，并作为卫星动力学模型的输入，对卫星的姿态进行控制，实现地面卫星姿态控制系统的闭环控制。

本发明所提供的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，由于卫星在轨运行时，反作用飞轮的力矩是实时作用到卫星上的。而在地面测试中，卫星是采用动力学模型实现的，因此采用该离散处理方法，不仅能模拟地面单机情况下的力矩特性和能力，而且还能模拟卫星在轨运行的实际工况，从而实现地面半物理仿真试验中的闭环控制。

本发明所提供的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，能尽量减小系统延迟，减小对系统相位稳定裕度的影响，提高卫星姿态控制系统的测试精度；解决了地面闭环测试时因执行机构反作用飞轮接入半物理系统而带来的延迟问题，也解决了因系统时滞对带宽较高的控制系统带来的稳定性影响问题，可提高仿真的真实性，有利于在地面验证卫星姿态控制方案的有效性和可行性；实现系统低延迟、力矩性能高保真的能力，以及实现在地面控制卫星姿态高稳定性和快速机动的能力，为高精度高稳定度卫星在轨飞行提供有力的支撑。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、建立反作用飞轮与地面动力学仿真计算机之间的连接，通过地面动力学仿真计算机采集反作用飞轮的转速脉冲数和转向信号；

S2、对相邻两个采样周期内采集到的反作用飞轮的转速脉冲数的差值进行阈值判断，对反作用飞轮的转向信号进行滤波处理，分别得到当前采样周期内采集到的转速脉冲数和转向信号；

S3、根据采集到的当前采样周期内的转速脉冲数和转向信号，计算当前采样周期内反作用飞轮的转速；

S4、对相邻两个采样周期内反作用飞轮的转速进行差分处理，并计算当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩；

S5、对计算得到的当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩进行限幅处理；

S6、将进行限幅处理后的当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩、以及当前采样周期内反作用飞轮的转速输入卫星动力学模型中，得到卫星姿态控制参数，实现对地面卫星姿态控制系统的闭环控制。

2.如权利要求1所述的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，其特征在于，所述的S1中，反作用飞轮的测试接口与地面动力学仿真计算机的硬件接口板卡之间连接，且通过地面动力学仿真计算机的硬件接口板卡采集反作用飞轮的转速脉冲数和转向信号。

3.如权利要求1所述的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，其特征在于，所述的S1中，反作用飞轮的转速脉冲数由反作用飞轮的转速决定，反作用飞轮的转速由地面卫星姿态控制系统控制。

4.如权利要求3所述的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，其特征在于，所述的S2中，具体包含以下步骤：

S21、对相邻两个采样周期内采集到的转速脉冲数的差值进行阈值判断；

设定N_i(k)为第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转速脉冲数，判断|N_i(k)-N_i(k-1)|≥1600是否成立；如是，则当前第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转速脉冲数为N_i(k)＝N_i(k)；如否，则当前第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转速脉冲数为N_i(k)＝-N_i(k)；

S22、对转向信号进行滤波处理；

设定sign_i为第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转向信号；判断其正向累加数是否大于负向累加数；如是，则当前第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转向信号为sign_i＝1；如否，则当前第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转向信号为sign_i＝-1。

5.如权利要求4所述的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，其特征在于，所述的S21中，对反作用飞轮的转速脉冲数进行采集的采样周期为100ms。

6.如权利要求4所述的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，其特征在于，所述的S22中，对反作用飞轮的转向信号进行采集的采样周期为20ms。

7.如权利要求4所述的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，其特征在于，所述的S3中，将采集到的当前采样周期内的反作用飞轮的转速脉冲数和转向信号相乘，并乘以脉冲当量，计算得到当前采样周期内反作用飞轮的转速为：

${\mathrm{\ω}}_i\left(k\right)=2\mathrm{\π}\frac{N_i\left(k\right)}{N_0}\×{\mathrm{sign}}_i;$

其中，N₀为反作用飞轮转动一周所产生的脉冲个数；N_i(k)为第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转速脉冲数；sign_i为第k个采样周期内采集到的第i个反作用飞轮的转向信号；ω_i(k)为第k个采样周期内第i个反作用飞轮的转速。

8.如权利要求7所述的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，其特征在于，所述的S4中，具体包含以下步骤：

S41、对相邻两个采样周期内采集到的反作用飞轮的转速进行差分处理；

Δω_i(k)＝ω_i(k)-ω_i(k-1)；

其中，i＝x1,x2,y,z,s，分别代表接入系统的飞轮方向；k＝1,2,3,…；

S42、计算当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩；

${\stackrel{\·}{h}}_{wi}\left(k\right)=J_i\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_i\left(k\right)}{t_s};$

其中，t_s为反作用飞轮的转速脉冲数的采样周期；J_i为反作用飞轮的转动惯量；为第k个采样周期内第i个反作用飞轮输出的控制力矩。

9.如权利要求8所述的减小反作用飞轮接入半物理系统时延迟的离散化方法，其特征在于，所述的S5中，对计算得到的当前采样周期内反作用飞轮输出的控制力矩进行限幅处理，使其绝对值不大于预设的限幅值：

$\left|{\stackrel{\·}{h}}_{wi}\left(k\right)\right|\≤{\stackrel{\·}{h}}_w\left(abs\right);$

其中，为针对反作用飞轮输出的控制力矩而预设的限幅值。