CN110568773B - 一种控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法及系统，该方法采用控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的系统进行故障模拟仿真测试，所述的系统包含故障模拟控制台、数学模型上位机和数学模型下位机；所述的数学模型下位机搭载实时仿真系统，在运行所述的数学模型上位机加载的控制力矩陀螺群数学模型后，所述的数学模型下位机模拟所述的控制力矩陀螺群真实单机的输入输出功能，并接收所述的故障模拟控制台的指令，模拟控制力矩陀螺群故障，输出运行状态数据及异常信息给所述的数学模型上位机。本发明可以对可预见的各种控制力矩陀螺群的各种故障进行验证，对发生故障后姿轨控软件故障诊断和隔离措施进行测试。

Description

一种控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法及系统
技术领域
本发明属于卫星仿真测试技术领域，特别涉及一种控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法及系统。
背景技术
随着卫星技术的发展，要求提高时间分辨率和图像重访周期，增加地区覆盖的时效性，要求其具有快速机动、任意角度机动等功能，因此在执行机构的选择上越来越倾向控制力矩陀螺群。
单框架控制力矩陀螺输出力矩的原理是通过以一定的角速度改变高速转子的角动量方向，从而达到力矩输出的目的。而单个的控制力矩陀螺只具有一个自由度的力矩输出能力，因此要进行卫星姿态的三轴稳定控制，需要至少3个以上的控制力矩陀螺。而由多个控制力矩陀螺组成的控制力矩陀螺群具有两个问题：(1)控制力矩陀螺群的构型，不同的构型具有不同的力矩输出能力；(2)控制力矩陀螺群的奇异性问题，当操纵这群控制力矩陀螺输出力矩时，控制力矩陀螺群失去三维控制能力，陷入奇异状态。
目前6台单框架控制力矩陀螺按照五棱锥构型安装的控制力矩陀螺群应用广泛，对比传统执行机构，它具有任意方向输出大力矩的特点。但是，由于控制力矩陀螺群应用较少，在轨数据积累不足，需要在地面进行充分测试，对潜在故障模式进行模拟仿真，接入系统闭环测试。
发明内容
本发明的目的是提供卫星半物理仿真试验中，一种以控制力矩陀螺群为执行机构的故障模拟仿真测试的方法及系统，以在地面对控制力矩陀螺群的潜在故障模式进行模拟仿真。
为了达到上述目的，本发明提供了一种控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法，该方法采用控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的系统进行故障模拟仿真测试，所述的系统包含故障模拟控制台、数学模型上位机和数学模型下位机；该方法包括如下步骤：
步骤1，故障模拟控制台与数学模型下位机连接，数学模型上位机和数学模型下位机互相连接；此外，故障模拟控制台还与控制力矩陀螺群真实单机连接；
步骤2，所述的数学模型上位机搭建控制力矩陀螺群数学模型，并将该数学模型加载进所述的数学模型下位机；同时，所述的数学模型上位机接收所述的数学模型下位机的数据，以确认控制力矩陀螺群运行状态；
步骤3，所述的故障模拟控制台设有故障模拟控制软件；所述的故障模拟控制台运行故障模拟控制软件，并向所述的数学模型下位机发出模拟控制力矩陀螺群故障的指令；其中：
所述的故障模拟控制软件能够对所述的控制力矩陀螺群真实单机与所述的控制力矩陀螺群数学模型的接入系统进行切换，所述的故障模拟控制软件还具备控制力矩陀螺群的故障设置功能；当所述的故障模拟控制软件切换至所述的控制力矩陀螺群数学模型时，能够设置控制力矩陀螺群故障；
步骤4，所述的数学模型下位机搭载实时仿真系统，在运行所述的数学模型上位机加载的控制力矩陀螺群数学模型后，所述的数学模型下位机模拟所述的控制力矩陀螺群真实单机的输入输出功能，并接收所述的故障模拟控制台的指令，模拟控制力矩陀螺群故障，输出运行状态数据及异常信息给所述的数学模型上位机；
步骤5，所述的数学模型上位机将接收的运行状态数据及异常信息实时显示。
较佳地，所述的数学模型具备模拟控制力矩陀螺群的动力学特性及输入输出功能，同时具备模拟单机故障功能。
较佳地，步骤5中，所述的数学模型上位机计算得到控制力矩陀螺群的奇异度值，并通过曲线显示，以及计算得到控制力矩陀螺群的角动量值，并通过动量球显示。
较佳地，所述的故障模拟控制软件通过控制硬件板卡完成控制力矩陀螺群真实单机与控制力矩陀螺群数学模型的接入系统的切换。
较佳地，所述的故障模拟控制台还与姿轨控计算机连接。
较佳地，所述的故障模拟控制台通过电缆分别连接所述的姿轨控计算机、控制力矩陀螺群真实单机、数学模型下位机；所述的故障模拟控制台、数学模型上位机和数学模型下位机通过网络连接。
较佳地，步骤3中，所述的控制力矩陀螺群的故障类型包含：通讯故障、内转子转速异常、外框架位置异常、外框架转速异常和状态字异常。
较佳地，所述的控制力矩陀螺群包含6台单框架控制力矩陀螺。
较佳地，所述的控制力矩陀螺群呈五棱锥构型。
本发明还提供了上述的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法中采用的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的系统。
本发明显著优点为：
本发明的使用范围是具有快速机动、任意角度机动的卫星半物理仿真试验，采用控制力矩陀螺群为执行机构的姿态控制系统，即在卫星控制系统半物理仿真测试中，需要在地面对控制力矩陀螺群进行充分测试，对潜在故障模式进行模拟仿真，验证故障接入系统的闭环测试；本发明可以对可预见的各种控制力矩陀螺群的各种故障进行验证，对发生故障后姿轨控软件故障诊断和隔离措施进行测试。
附图说明
图1为本发明的控制力矩陀螺群模拟仿真测试系统流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
在控制力矩陀螺群测试系统方案上，要满足测试可靠性和验证充分性的要求，需要模拟故障仿真系统中姿轨控计算机既可以与控制力矩陀螺群真实单机通讯，也可以与数学模型通讯。而切换的控制是由故障模拟控制台完成，该控制台完成对底层硬件板卡的操作，完成真实单机与数学模型的来回切换；同时，模拟故障仿真系统具备模拟控制力矩陀螺群常见内外框故障类型的功能。为了实现以上功能，本发明提出了一种控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法及系统。
请参阅图1，本发明的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法采用控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的系统进行故障模拟仿真测试，所述的系统包含故障模拟控制台、数学模型上位机和数学模型下位机；该方法包括如下步骤：
步骤1(S1)，连接故障模拟控制台、数学模型上位机和数学模型下位机；所述的故障模拟控制台还和控制力矩陀螺群真实单机连接。
步骤2(S2)，所述的数学模型上位机搭建控制力矩陀螺群数学模型，并将该模型加载进所述的数学模型下位机；该数学模型具备模拟控制力矩陀螺群的动力学特性及输入输出功能，同时具备模拟单机故障功能；同时所述的数学模型上位机接收所述的数学模型下位机的控制力矩陀螺群运行状态数据及异常信息，以确认控制力矩陀螺群运行状态。
步骤3(S3)，所述的故障模拟控制台运行故障模拟控制软件，并向所述的数学模型下位机发出模拟控制力矩陀螺群故障的指令；执行该步骤前，须确保步骤2已正确执行，以保障指令的正确发送。其中：
所述的故障模拟控制软件能够对所述的控制力矩陀螺群真实单机与所述的控制力矩陀螺群数学模型的接入系统进行切换，所述的故障模拟控制软件还具备控制力矩陀螺群的故障设置功能；当所述的故障模拟控制软件切换至所述的控制力矩陀螺群数学模型时，能够设置控制力矩陀螺群故障；所述的控制力矩陀螺群故障的类型包含：通讯故障、内转子转速异常、外框架位置异常、外框架转速异常和状态字异常。
步骤4(S4)，所述的数学模型下位机搭载实时仿真系统，运行所述的数学模型上位机加载的控制力矩陀螺群数学模型后，通过RS-422接口模拟控制力矩陀螺群真实单机串口的输入输出功能，同时接收所述的故障模拟控制台的指令，模拟控制力矩陀螺群故障，输出运行状态数据及异常信息给所述的数学模型上位机。所述的数学模型下位机能够接收控制力矩陀螺的内转子转速指令、外框架转速指令、外框架位置指令，输出正确的遥测。
步骤5(S5)，所述的数学模型上位机将接收的运行状态数据及异常信息实时显示。所述的数学模型上位机将计算得到的控制力矩陀螺群的奇异度值通过曲线显示，将计算得到的控制力矩陀螺群的角动量值通过动量球显示。动量球是控制力矩陀螺群所有可能角动量值的一个包络图，将实时的角动量值绘制在动量球上，可以显示出陀螺群角动量运行的轨迹。
所述的故障模拟控制台配置有两块7256板卡；所述的故障模拟控制软件具备控制7256板卡功能，所述的故障模拟控制软件通过控制7256板卡完成控制力矩陀螺群真实单机与控制力矩陀螺群数学模型的接入系统的切换。
所述的故障模拟控制台还和与姿轨控计算机连接，姿轨控计算机既可以与控制力矩陀螺群真实单机通讯，也可以与数学模型通讯。姿轨控计算机输出控制力矩陀螺群的控制指令，并接受其返回的遥测。
所述的故障模拟控制台通过电缆分别连接所述的姿轨控计算机、控制力矩陀螺群真实单机、数学模型下位机；所述的故障模拟控制台、数学模型上位机和数学模型下位机通过网络连接。
本发明提供的方法及系统适用于包含6台单框架控制力矩陀螺的控制力矩陀螺群，控制力矩陀螺群呈五棱锥构型。也可以用于其他类型的控制力矩陀螺群的仿真测试。
所述的故障模拟控制台还和姿轨控计算机连接。控制力矩陀螺串口返回的数据有18个字节，第一个字节为识别码，最后一个字节为字节1-17的累加校验和，控制力矩陀螺群数学模型收到指令后按协议将运行结果编码后发送给姿轨控计算机，字节3-5按原码解码后乘以分辨率360/221°/bit得到外框位置δi，字节6-7按补码解码后乘以分辨率360*5/221°/s/bit得到外框转速
Figure BDA0002220805930000053
字节14-15按补码解码后乘以分辨率0.5rpm/bit得到内转子转速ni,字节2为外框工作状态标志，字节13为内转子工作状态标志。数学模型模拟的故障类型有：通讯故障、内转子转速异常、外框架位置异常、外框架转速异常和状态字异常。
1)通讯故障：将串口返回数据第18字节用异常值替换，姿轨控计算机收到数据包后，判断校验出错，显示通讯故障；
2)内转子转速异常：收到故障模拟控制台内转子转速误差Δni后，返回ni′＝ni+Δni，实现内转子转速异常；
3)外框架位置异常：收到故障模拟控制台内转子转速误差Δδi后，返回δi′＝δi+Δδi，实现外框架位置异常；
4)外框架转速异常：收到故障模拟控制台内转子转速误差
Figure BDA0002220805930000051
后，返回
Figure BDA0002220805930000052
实现外框架转速异常；
5)状态字异常：状态字异常分为内转子状态异常和外框架状态异常两种，将数据包中对应了状态字字节用从故障模拟控制台接收到的故障状态字替换，实现状态字异常；
其中，i＝1,2,3,4,5,6；k＝1,2,3,4,...；
δi：第i个控制力矩陀螺的外框位置；
Figure BDA0002220805930000061
第i个控制力矩陀螺的外框转速；
ni：第i个控制力矩陀螺的内转子转速。
综上所述，本发明的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法及系统，其使用范围是具有快速机动、任意角度机动的卫星半物理仿真试验，采用控制力矩陀螺群为执行机构的姿态控制系统，即在卫星控制系统半物理仿真测试中，需要在地面对控制力矩陀螺群进行充分测试，对潜在故障模式进行模拟仿真，验证故障接入系统的闭环测试。采用该仿真测试系统，可以对可预见的各种控制力矩陀螺群各种故障进行验证，对发生故障后姿轨控软件故障诊断和隔离措施进行测试。
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)

1.一种控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法，其特征在于，该方法采用控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的系统进行故障模拟仿真测试，所述的系统包含故障模拟控制台、数学模型上位机和数学模型下位机；该方法包括如下步骤：
步骤1，故障模拟控制台与数学模型下位机连接，数学模型上位机和数学模型下位机互相连接；此外，故障模拟控制台还与控制力矩陀螺群真实单机连接；
步骤2，所述的数学模型上位机搭建控制力矩陀螺群数学模型，并将该数学模型加载进所述的数学模型下位机；同时，所述的数学模型上位机接收所述的数学模型下位机的数据，以确认控制力矩陀螺群运行状态；
步骤3，所述的故障模拟控制台设有故障模拟控制软件；所述的故障模拟控制台运行故障模拟控制软件，并向所述的数学模型下位机发出模拟控制力矩陀螺群故障的指令；其中：
所述的故障模拟控制软件能够对所述的控制力矩陀螺群真实单机与所述的控制力矩陀螺群数学模型的接入系统进行切换，所述的故障模拟控制软件还具备控制力矩陀螺群的故障设置功能；当所述的故障模拟控制软件切换至所述的控制力矩陀螺群数学模型时，能够设置控制力矩陀螺群故障；
步骤4，所述的数学模型下位机搭载实时仿真系统，在运行所述的数学模型上位机加载的控制力矩陀螺群数学模型后，所述的数学模型下位机模拟所述的控制力矩陀螺群真实单机的输入输出功能，并接收所述的故障模拟控制台的指令，模拟控制力矩陀螺群故障，输出运行状态数据及异常信息给所述的数学模型上位机；
步骤5，所述的数学模型上位机将接收的运行状态数据及异常信息实时显示；所述的数学模型上位机计算得到控制力矩陀螺群的奇异度值，并通过曲线显示，以及计算得到控制力矩陀螺群的角动量值，并通过动量球显示。
2.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法，其特征在于，所述的数学模型具备模拟控制力矩陀螺群的动力学特性及输入输出功能，同时具备模拟单机故障功能。
3.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法，其特征在于，所述的故障模拟控制软件通过控制硬件板卡完成控制力矩陀螺群真实单机与控制力矩陀螺群数学模型的接入系统的切换。
4.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法，其特征在于，所述的故障模拟控制台还与姿轨控计算机连接。
5.根据权利要求4所述的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法，其特征在于，所述的故障模拟控制台通过电缆分别连接所述的姿轨控计算机、控制力矩陀螺群真实单机、数学模型下位机；所述的故障模拟控制台、数学模型上位机和数学模型下位机通过网络连接。
6.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法，其特征在于，步骤3中，所述的控制力矩陀螺群的故障类型包含：通讯故障、内转子转速异常、外框架位置异常、外框架转速异常和状态字异常。
7.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法，其特征在于，所述的控制力矩陀螺群包含6台单框架控制力矩陀螺。
8.根据权利要求7所述的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法，其特征在于，所述的控制力矩陀螺群呈五棱锥构型。
9.权利要求1-8任意一项所述的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的方法中采用的控制力矩陀螺群故障模拟仿真测试的系统。
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