冗余飞轮构型下力矩分配策略设计与分析

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1、第31卷第11期2010年11月航空学报ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAV01．3lNO．11NOV．2010文章编号：1000—6893(2010)11-2259—07冗余飞轮构型下力矩分配策略设计与分析郭延宁，马广富，李传江(哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001)DesignandAnalysisofTorqueAllocationStrategyforRedundantFlywheelConfigurationsGuoYanning，MaGua

2、ngfu，LiChuanjiang(SchoolofAstronautics，HarbirLInstituteofTechnology。Harbin150001。China)摘要：主要研究了航天器姿控系统中冗余飞轮构型的力矩分配问题。在阐明该问题的基础上，首先给出了能量最优的力矩分配策略，并考虑飞轮力矩约束对其进行了限幅处理；接着基于静态最优化理论和飞轮系统性质，对四飞轮和多飞轮情况分别设计了相应的力矩最优分配策略，由于可有效地输出飞轮系的最大力矩，其有重要的工程应用价值；最后研究并对比了几种典型构

3、型下两种分配策略所能输出的力矩包络，表明了所设计方法的有效性。关键词：冗余系统；飞轮；姿态控制；力矩分配；能量最优；力矩最优中图分类号：V488．22文献标识码：AAbstract：Thisarticledealswithtorqueallocationforredundantflywheelconfigurationsinaspacecraftattitudecontrolsystem．Firstofall。anenergy-basedoptimalallocationstrategyisintr

4、oducedaftersomefundamentaldescriptionofthisissue，andasaturationlogicisdevisedsubjecttOthephysicalconstraintsofflywheeltorque．Thenforafour-flywheelandamulti—flywheelsystem，twotorque-basedoptimalallocationlogicsaredevelopedrespectivelybasedonstaticoptimi

5、zationtheoryandattributesofflywheels．SincebothallocationstrategiescandrivethecorrespondingflywheelsystemtOreachtheirmaximaltorquecapacity，theyarebothofsignificantvalueinengineeringapplications．Finally，torqueenvelopesforsomegeneralflywheelconfigurations

6、usingtheenergy—basedandtoque-basedoptimalallocationstrategiesareanalyzedandcomparedtoshowtheeffectivenessoftheproposedmethods．Keywords：redundantsystem；flywheels；attitudecontrol；torqueallocation；energyoptimal；torqueoptimal随着航天事业的发展，航天器快速姿态机动问题成为目前主要的研究内

7、容。而作为航天器快速精确完成机动任务的重要保证，其姿态控制系统的设计吸引了众多研究者的目光。出于长期可靠应用的考虑，可使用仅消耗电能的反作用飞轮作为姿态控制系统的执行机构。为实现三轴稳定控制且带有一定冗余，一般配置4个或以上的飞轮组成飞轮系输出控制力矩，在姿态调节任务时可以仅使用其中3个以减小机械磨损；而在姿态捕获或姿态机动期间，则希望飞轮系能发挥最大作用以期最短时间内实现姿态控制目的。而此时控制力矩维数小于飞轮个数，如何将期望的控制力矩分配到每个飞轮，在允许的力矩范围内有效输出所有飞轮力矩，则需要

8、通过设收稿日期：2010—01—27：修订日期：2010—03—23基金项目：国家自然科学基金(60774062)；哈尔滨t业大学优秀青年教师培养计划(HITQNJS．2008．006)通讯作者：马广富E-mail：magf@hit．edu．cn计相应的力矩分配策略来解决，这也就是本文要研究的主要内容。在现有力矩分配策略中，最简单常用的是能量最优方法，即通过求解飞轮系构型矩阵的伪逆矩阵，实现控制力矩到飞轮指令力矩的一对一映射L1]。由于飞轮系的力矩矢量与角动量矢量计算