陀螺飛輪系統(tǒng)建模與特性分析.pdf

1、本文以微小航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)研究為背景，以一種新型航天器姿態(tài)控制元件——陀螺飛輪為研究對象，建立了陀螺飛輪的數(shù)學模型和仿真模型，分析了常見機械因素對陀螺飛輪性能的影響，設(shè)計了陀螺飛輪系統(tǒng)控制器，并分析控制器的控制效果。
　　首先，在分析陀螺飛輪機械組成結(jié)構(gòu)和運行原理的基礎(chǔ)上，得到了陀螺飛輪轉(zhuǎn)子的受力情況，根據(jù)歐拉動力學方程，推導(dǎo)得到陀螺飛輪系統(tǒng)的動力學方程。歐拉動力學方程中的各力矩項均來自于理論分析，其物理意義清晰。根據(jù)所建立的

2、動力學模型，計算陀螺飛輪的階躍響應(yīng)，使用FFT分析響應(yīng)結(jié)果，得出陀螺飛輪進動特性的特點。利用SimMechanics構(gòu)建陀螺飛輪的機械仿真模型，相互驗證動力學模型與機械仿真模型，以證明由歐拉動力學方程推導(dǎo)出的數(shù)學模型在傾側(cè)角為0°~7°時，能夠反映陀螺飛輪的特性。
　　然后，分析了陀螺飛輪系統(tǒng)實現(xiàn)中常見機械因素對于陀螺飛輪動力學特性的影響。通過公式推導(dǎo)，得出了驅(qū)動軸與內(nèi)撓性軸之間不垂直不影響陀螺飛輪進動特性的結(jié)論。通過公式推導(dǎo)，得

3、出的內(nèi)外撓性軸之間不垂直不影響陀螺飛輪進動特性的結(jié)論。分析了兩撓性軸抗扭剛度不相等對陀螺飛輪的影響，通過相關(guān)系數(shù)的概念，得出章動分量幅值和二倍頻幅值與剩余剛度呈正比的結(jié)論。分析了陀螺飛輪轉(zhuǎn)子靜不平衡量和動不平衡量的來源及影響，得出靜不平衡量在地面條件下響應(yīng)的計算公式，得出靜不平衡量和動不平衡量引入轉(zhuǎn)速頻率干擾的結(jié)論。
　　最后，分析了進動控制不適于工程采用的原因，研究了兩種適于工程采用的陀螺飛輪解耦控制方案，綜合各項指標選擇零極點