CN109178344B - 新型磁浮作动器组合布局及高可靠冗余设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型磁浮作动器组合布局及高可靠冗余设计方法，对8台磁浮作动器组合进行布局设计，明确每台磁浮作动器的安装要求；建立指令控制力和力矩伪逆分配算法，实现三轴平动控制力和三轴转动控制力矩的解耦输出，满足双超卫星平台载荷舱姿态和两舱相对质心位置的解耦控制需求；通过对力和力矩分配矩阵秩的分析，得到磁浮作动器组合的冗余度，进而计算得到组合的可靠度。本发明实现高可靠三轴平动控制力和三轴转动控制力矩的解耦输出，满足双超卫星平台载荷舱姿态和两舱相对质心位置的解耦控制需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有超高指向精度、超高稳定度(双超)卫星平台载荷舱的复合控制技术，具体地，涉及新型磁浮作动器组合布局及高可靠冗余设计方法。
背景技术
未来先进航天器对姿态指向精度与稳定度的要求比目前水平高两个量级。传统采用载荷与平台固连式设计，两者动力学特性深度耦合，导致载荷双超指标难以实现，尽管采用主被动微振动抑制等方法取得了一定效果，但受限固连式设计的缺陷，双超指标难以实现。
“双超”卫星平台打破传统固连设计，采用非接触、高精度、无时延磁浮作动器实现仅安装安静部件的载荷(舱)与安装活动部件的平台(舱)分离，彻底消除微振动影响。改变传统以卫星平台为主的控制逻辑，首次采用“载荷舱主动，平台舱从动，两舱相对位置协同解耦控制”的全新方法，可实现载荷舱的双超精度。
磁浮作动器是一种新型航天器控制执行机构，是“双超”卫星平台的核心单机。多台组合工作提供三轴平动控制力和三种转动控制力矩，通过布局优化设计和冗余度分析，可获得极高的组合系统可靠度。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对高精度遥感卫星超高精度和超高稳定度控制需求，本发明的目的是提供一种新型磁浮作动器组合布局及高可靠冗余设计方法。
本发明具体通过以下步骤实现：
一种新型磁浮作动器组合布局及高可靠冗余设计方法，包括：
步骤1：明确每台磁浮作动器的安装要求，每台磁浮作动器输出两个正交控制力；从安装位置和二维输出力矢量方向多维角度，对8台磁浮作动器组合进行布局和可靠度提升冗余优化配置设计，8台作动器均垂直安装，安装支架统一，基于非接触、高精度、无时延磁浮作动器实现载荷(舱)与安装活动部件的平台(舱)分离，彻底消除微振动影响；
步骤2：建立指令控制力和力矩伪逆分配算法，实现三轴平动控制力和三轴转动控制力矩的解耦输出，满足双超卫星平台载荷舱姿态和两舱相对质心位置的解耦控制需求；
步骤3：通过对力和力矩分配矩阵秩的分析，得到磁浮作动器组合的冗余度，进而计算得到组合的可靠度，持续优化指导系统最优设计。
进一步地，所述步骤1对8台磁浮作动器组合进行布局设计，保证组合具备三轴控制力和力矩输出能力，给出8台磁浮作动器在卫星机械坐标系下的安装位置和安装角； 8台磁浮作动器在机械坐标系下的安装位置与输出力矢量方向如下表所示：
注：上表中“√”表示可输出该方向作用力，“×”表示不可输出该方向作用力。
进一步地，所述步骤2通过以下步骤建立指令控制力和力矩伪逆分配算法：
设指令控制力为Fcmd，指令控制力矩为Tcmd，有
其中Fi和Ti(i＝x,y,z)分别为三轴控制力和力矩。设8台磁浮作动器输出力为
设载荷舱质心相对机械坐标系的位置为[Δx Δy Δz]，根据8台磁浮作动器的布局和二维力输出方向，可得
改写为矩阵形式，有
M·F＝[Fcmd Tcmd]T (11)
其中，M为分配矩阵，将六维指令力和力矩分配至8台16路磁浮作动力，有
根据伪逆算法，可得伪逆解
F＝MT·(M·MT)-1·[Fcmd Tcmd]T (12)
从而得到16路指令输出力。
进一步地，根据线性代数原理，上述分配矩阵必须满秩才能正常输出三轴控制力和三轴控制力矩，即必须满足
rank(M)＝6 (13)
根据该原理，可进行磁浮作动器组合的冗余度分析，具体分析方法如下：
S1、设置第k台磁浮作动器失效，k＝1,2,…8；
S2、设置分配矩阵M的第2*k-1至2*k列的所有元素为0；
S3、对新的分配矩阵求秩，判断是否满秩；
S4、根据排列组合原理遍历所有可能失效工况：
①8台磁浮作动器中任意1台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴控制力和三轴控制力矩；
②8台磁浮作动器中任意2台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴控制力和三轴控制力矩；
③8台磁浮作动器中任意3台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴控制力和三轴控制力矩；
④8台磁浮作动器中任意4台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有工况中，除两种工况外，其余工况均能输出三轴控制力和三轴控制力矩；
⑤8台磁浮作动器中任意5台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有56种工况中，有40种工况能输出三轴控制力和三轴控制力矩；
⑥8台磁浮作动器中任意6台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩如可见所有工况下分配矩阵的秩均小于6，即所有工况均不能输出三轴控制力和三轴控制力矩；
从而8台磁浮作动器组合的冗余度为：
在任意3台及3台以下作动器完全失效的情况下，均能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；
在任意4台作动器完全失效的情况下，70种工况中有68种工况能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；
在任意5台作动器完全失效的情况下，56种工况中有40种工况能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；
在任意6台及6台以上作动器完全失效的情况下，不能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；
根据上述冗余度分析结果，设每台磁浮作动器状态一致，单台可靠度为R，组合系统可靠度为Rsys，则可通过下式进行磁浮作动器组合的可靠度Rsys计算
假设单台可靠度为R＝0.8，可得Rsys＝0.995，可见在单台单机可靠度较低的情况下，通过布局优化设计，可得到极高的组合可靠度。
附图说明
通过阅读参照以下图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为新型高可靠冗余磁浮作动器组合布局示意图。
图2为8台中任意1台失效分配矩阵秩随工况变化曲线。
图3为8台中任意2台失效分配矩阵秩随工况变化曲线。
图4为8台中任意3台失效分配矩阵秩随工况变化曲线。
图5为8台中任意4台失效分配矩阵秩随工况变化曲线。
图6为8台中任意5台失效分配矩阵秩随工况变化曲线。
图7为8台中任意6台失效分配矩阵秩随工况变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，如磁浮作动器配置数量、输出力方向、输出力大小、安装位置等。这些都属于本发明的保护范围。
步骤1：明确每台磁浮作动器的安装要求，每台磁浮作动器输出两个正交控制力；从安装位置和二维输出力矢量方向多维角度，对8台磁浮作动器组合进行布局和可靠度提升冗余优化配置设计，保证组合具备三轴控制力和力矩输出能力，给出8台磁浮作动器在卫星机械坐标系下的安装位置和安装角；8台磁浮作动器在机械坐标系下的安装位置与输出力矢量方向如下表所示。其中L1、L2、L3的含义见附图1，这里取L1＝0.8m， L2＝0.7m，L3＝0.8m。
注：上表中“√”表示可输出该方向作用力，“×”表示不可输出该方向作用力。
8台作动器均垂直安装，安装支架统一，打破传统固连设计，基于非接触、高精度、无时延磁浮作动器实现载荷(舱)与安装活动部件的平台(舱)分离，彻底消除微振动影响；
步骤2：建立指令控制力和力矩伪逆分配算法，实现三轴平动控制力和三轴转动控制力矩的解耦输出，满足双超卫星平台载荷舱姿态和两舱相对质心位置的解耦控制需求；具体的：
设指令控制力为Fcmd，指令控制力矩为Tcmd，有
其中Fi和Ti(i＝x,y,z)分别为三轴控制力和力矩。设8台磁浮作动器输出力为
设载荷舱质心相对机械坐标系的位置为[Δx Δy Δz]，根据8台磁浮作动器的布局和二维力输出方向，可得
改写为矩阵形式，有
M·F＝[Fcmd Tcmd]T (18)
其中，M为分配矩阵，将六维指令力和力矩分配至8台16路磁浮作动力，有
根据伪逆算法，可得伪逆解
F＝MT·(M·MT)-1·[Fcmd Tcmd]T (19)
从而得到16路指令输出力。
步骤3：通过对力和力矩分配矩阵秩的分析，得到磁浮作动器组合的冗余度，进而计算得到组合的可靠度，持续优化指导系统最优设计；具体的：
根据线性代数原理，上述分配矩阵必须满秩才能正常输出三轴控制力和三轴控制力矩，即必须满足
rank(M)＝6 (20)
根据该原理，可进行磁浮作动器组合的冗余度分析，具体分析方法如下。
设置第k台磁浮作动器失效，k＝1,2,…8；
设置分配矩阵M的第2*k-1至2*k列的所有元素为0；
对新的分配矩阵求秩，判断是否满秩；
根据排列组合原理遍历所有可能失效工况。
①8台磁浮作动器中任意1台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩如附图2所示。可见所有工况均可正常输出三轴控制力和三轴控制力矩；
②8台磁浮作动器中任意2台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩如附图3所示。可见所有工况均可正常输出三轴控制力和三轴控制力矩；
③8台磁浮作动器中任意3台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩如附图4所示。可见所有工况均可正常输出三轴控制力和三轴控制力矩；
④8台磁浮作动器中任意4台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩如附图5所示。可见所有工况中，除两种工况外，其余工况均能输出三轴控制力和三轴控制力矩；
⑤8台磁浮作动器中任意5台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩如附图6所示。可见所有56种工况中，有40种工况能输出三轴控制力和三轴控制力矩；
⑥8台磁浮作动器中任意6台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩如附图7所示。可见所有工况下分配矩阵的秩均小于6，即所有工况均不能输出三轴控制力和三轴控制力矩。
从而8台磁浮作动器组合的冗余度为：
在任意3台(含)以下作动器完全失效的情况下，均能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；
在任意4台作动器完全失效的情况下，70种工况中有68种工况能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；
在任意5台作动器完全失效的情况下，56种工况中有40种工况能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；
在任意6台(含)以上作动器完全失效的情况下，不能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；
根据上述冗余度分析结果，设每台磁浮作动器状态一致，单台可靠度为R，组合系统可靠度为Rsys，则可通过下式进行磁浮作动器组合的可靠度Rsys计算
假设单台可靠度为R＝0.8，可得Rsys＝0.995，可见在单台单机可靠度较低的情况下，通过布局优化设计，可得到极高的组合可靠度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (2)
1.一种新型磁浮作动器组合布局及高可靠冗余设计方法，其特征在于，包括：
步骤1：明确每台磁浮作动器的安装要求，每台磁浮作动器输出两个正交控制力；从安装位置和二维输出力矢量方向多维角度，对8台磁浮作动器组合进行布局和可靠度提升冗余优化配置设计，8台作动器均垂直安装，安装支架统一，基于非接触、高精度、无时延磁浮作动器实现载荷舱与安装活动部件的平台舱分离，彻底消除微振动影响；
步骤2：建立指令控制力和力矩伪逆分配算法，实现三轴平动控制力和三轴转动控制力矩的解耦输出，满足双超卫星平台载荷舱姿态和两舱相对质心位置的解耦控制需求；
步骤3：通过对力和力矩分配矩阵秩的分析，得到磁浮作动器组合的冗余度，进而计算得到组合的可靠度，持续优化指导系统最优设计；
所述步骤1对8台磁浮作动器组合进行布局设计，保证组合具备三轴控制力和力矩输出能力，给出8台磁浮作动器在卫星机械坐标系下的安装位置和安装角；8台磁浮作动器在机械坐标系下的安装位置与输出力矢量方向如下表所示：
注：上表中“√”表示可输出该方向作用力，“×”表示不可输出该方向作用力；
所述步骤2通过以下步骤建立指令控制力和力矩伪逆分配算法：
设指令控制力为Fcmd，指令控制力矩为Tcmd，有
其中Fi和Ti(i＝x,y,z)分别为三轴控制力和力矩，设8台磁浮作动器输出力为
设载荷舱质心相对机械坐标系的位置为[ΔxΔyΔz]，根据8台磁浮作动器的布局和二维力输出方向，可得
改写为矩阵形式，有
M·F＝[Fcmd Tcmd]T (4)
其中，M为分配矩阵，将六维指令力和力矩分配至8台16路磁浮作动力，有
根据伪逆算法，可得伪逆解
F＝MT·(M·MT)-1·[Fcmd Tcmd]T (5)
从而得到16路指令输出力。
2.根据权利要求1所述的新型磁浮作动器组合布局及高可靠冗余设计方法，其特征在于，根据线性代数原理，上述分配矩阵必须满秩才能正常输出三轴控制力和三轴控制力矩，即必须满足
rank(M)＝6 (6)
根据该原理，可进行磁浮作动器组合的冗余度分析，具体分析方法如下：
S1、设置第k台磁浮作动器失效，k＝1,2,…8；
S2、设置分配矩阵M的第2*k-1至2*k列的所有元素为0；
S3、对新的分配矩阵求秩，判断是否满秩；
S4、根据排列组合原理遍历所有可能失效工况：
①8台磁浮作动器中任意1台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴控制力和三轴控制力矩；
②8台磁浮作动器中任意2台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴控制力和三轴控制力矩；
③8台磁浮作动器中任意3台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴控制力和三轴控制力矩；
④8台磁浮作动器中任意4台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有工况中，除两种工况外，其余工况均能输出三轴控制力和三轴控制力矩；
⑤8台磁浮作动器中任意5台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有56种工况中，有40种工况能输出三轴控制力和三轴控制力矩；
⑥8台磁浮作动器中任意6台失效
根据排列组合原理，存在
种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩如可见所有工况下分配矩阵的秩均小于6，即所有工况均不能输出三轴控制力和三轴控制力矩；
从而8台磁浮作动器组合的冗余度为：
在任意3台及3台以下作动器完全失效的情况下，均能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；
在任意4台作动器完全失效的情况下，70种工况中有68种工况能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；
在任意5台作动器完全失效的情况下，56种工况中有40种工况能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；
在任意6台及6台以上作动器完全失效的情况下，不能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；
根据上述冗余度分析结果，设每台磁浮作动器状态一致，单台可靠度为R，组合系统可靠度为Rsys，则可通过下式进行磁浮作动器组合的可靠度Rsys计算
假设单台可靠度为R＝0.8，可得Rsys＝0.995，可见在单台单机可靠度较低的情况下，通过布局优化设计，可得到极高的组合可靠度。
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