臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制方法及控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制方法及控制系統(tǒng)，涉及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡慣性指向的控制方法存在的慣性指向控制精度低的問(wèn)題。該控制系統(tǒng)包括控制器；與控制器電連接的望遠(yuǎn)鏡慣性位置傳感器；與控制器電連接且與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)相等的關(guān)節(jié)位置傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)電流傳感器和關(guān)節(jié)慣性速度傳感器；每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上均固定有一個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)，同一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上的關(guān)節(jié)電機(jī)和關(guān)節(jié)位置傳感器之間為機(jī)械連接，每個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)分別與一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)電機(jī)電流傳感器電連接。依據(jù)臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)控制算法和完成非線性項(xiàng)的補(bǔ)償，通過(guò)關(guān)節(jié)慣性速度傳感器實(shí)現(xiàn)每個(gè)關(guān)節(jié)的閉環(huán)反饋，提高慣性指向控制精度。
【專利說(shuō)明】臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制方法及控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)自動(dòng)化【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向 控制方法及控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 空間天文望遠(yuǎn)鏡搭載于衛(wèi)星或飛船等空間飛行器上完成對(duì)宇宙天體的拍攝任務(wù)， 是天文學(xué)所需的一種極為重要的探測(cè)儀器。為實(shí)現(xiàn)高清晰天體成像，一般要求空間天文望 遠(yuǎn)鏡具有較高精度的慣性指向能力。臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡一般包括空間天文望遠(yuǎn)鏡2和臂 式機(jī)構(gòu)，其中臂式機(jī)構(gòu)由多個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4串聯(lián)組成，臂式機(jī)構(gòu)一端安裝于空間飛行器1上， 另一端安裝于空間天文望遠(yuǎn)鏡2上。在臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的天文觀測(cè)過(guò)程中，通過(guò)控制 臂式機(jī)構(gòu)的多個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)4運(yùn)動(dòng)，從而使得空間天文望遠(yuǎn)鏡2完成在慣性系下三個(gè)旋轉(zhuǎn)自 由度方向（俯仰、橫滾和偏航）的慣性指向。
[0003] 目前臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡慣性指向的控制方法主要是將每一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度分別 按照互相之間無(wú)關(guān)聯(lián)的單輸入單輸出線性控制系統(tǒng)來(lái)處理，采用古典控制理論中的頻域分 析方法完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。上述的現(xiàn)有臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制方法存在以下 幾方面會(huì)導(dǎo)致慣性指向控制精度下降的因素：
[0004] 1)由于臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡實(shí)質(zhì)上是互相耦合的多輸入多輸出非線性控制系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)所參考的模型的不確切會(huì)導(dǎo)致慣性指向控制精度下降；
[0005] 2)由于現(xiàn)有方法很少考慮摩擦和執(zhí)行器的非線性擾動(dòng)等因素的影響，由于一般情 況下，臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡慣性指向系統(tǒng)多為低速控制系統(tǒng)，摩擦等非線性擾動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影 響慣性指向控制精度；
[0006] 3)現(xiàn)有方法的轉(zhuǎn)速環(huán)不具有慣性穩(wěn)定能力，因此對(duì)空間飛行器傳遞至空間天文望 遠(yuǎn)鏡的振動(dòng)抑制能力較弱，也將使得慣性指向控制精度下降。
[0007] 因此亟需一種能夠針對(duì)互相耦合多輸入多輸出非線性系統(tǒng)、在摩擦等非線性擾動(dòng) 以及空間飛行器振動(dòng)影響下實(shí)現(xiàn)臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡高精度慣性指向的控制方法及控制 系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決現(xiàn)有臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡慣性指向的控制方法存在的慣性指向控制精 度低的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制方法及控制系統(tǒng)。本發(fā) 明的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制方法可以削弱互相耦合多輸入多輸出非線性系 統(tǒng)、摩擦等非線性擾動(dòng)以及空間飛行器振動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)存在的不利影響，提高臂式空間天 文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制精度。
[0009] 本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下：
[0010] 本發(fā)明的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制方法，該方法是將臂式空間天文望 遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制系統(tǒng)安裝在臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡和空間飛行器上，對(duì)臂式空間天文望 遠(yuǎn)鏡的慣性指向進(jìn)行自動(dòng)控制，該方法的條件和步驟如下：
[0011] a、依據(jù)事先經(jīng)過(guò)分析或試驗(yàn)得到的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的包含非線性因素的動(dòng) 力學(xué)模型，采用反饋線性化方法，得到分別對(duì)應(yīng)于每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的單輸入單輸出線性化模 型和非線性補(bǔ)償力矩；
[0012] b、依據(jù)每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的單輸入單輸出線性化模型設(shè)計(jì)完成每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電流 環(huán)控制算法、速度環(huán)控制算法和位置環(huán)控制算法，將這三個(gè)控制算法和步驟a中得到的每 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的非線性補(bǔ)償力矩存儲(chǔ)于控制器中；
[0013] c、控制器接收來(lái)自于空間飛行器的期望慣性姿態(tài)指令信號(hào)，包括俯仰、橫滾和偏 航三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的期望角度值，望遠(yuǎn)鏡慣性位置傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量空間天文望遠(yuǎn)鏡光軸的 實(shí)際慣性姿態(tài)信號(hào)，采用卡爾曼濾波算法對(duì)空間天文望遠(yuǎn)鏡光軸的實(shí)際慣性姿態(tài)信號(hào)進(jìn)行 計(jì)算得到更加精確的慣性姿態(tài)信號(hào)，包括俯仰、橫滾和偏航三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的角度值；
[0014] d、在控制器中將期望慣性姿態(tài)指令信號(hào)與精確的慣性姿態(tài)信號(hào)相減，即將俯仰、 橫滾和偏航三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的期望角度值分別減去各自對(duì)應(yīng)自由度的角度值，得到空間天 文望遠(yuǎn)鏡光軸的慣性姿態(tài)誤差；
[0015] e、每個(gè)關(guān)節(jié)位置傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量得到對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)，通過(guò)控制 器中的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模塊以空間天文望遠(yuǎn)鏡光軸的慣性姿態(tài)誤差、關(guān)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度信 號(hào)作為輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角誤差值；
[0016] f、在控制器中將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角誤差值作為該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的位置環(huán)控制算法的 控制輸入，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)速度環(huán)的控制輸入；
[0017] g、每個(gè)關(guān)節(jié)慣性速度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量得到對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)于慣性系的角速 度信號(hào)，在控制器中將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)速度環(huán)的控制輸入減去對(duì)應(yīng)于該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)于慣性系的 角速度信號(hào)，得到每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的慣性角速度誤差值；
[0018] h、在控制器中將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的慣性角速度誤差值作為該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的速度環(huán)控制算 法的控制輸入，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電流環(huán)的第一個(gè)控制輸入；
[0019] i、將步驟a中得到的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的非線性補(bǔ)償力矩作為該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電流環(huán)的第二 個(gè)控制輸入；
[0020] j、在控制器中將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電流環(huán)的第一個(gè)控制輸入和第二控制輸入相加得到該 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電流環(huán)的總控制輸入；
[0021] k、電機(jī)電流傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量得到每個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的電流信號(hào)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電流 環(huán)的總控制輸入減去對(duì)應(yīng)于該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)電機(jī)的電流信號(hào)，得到每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電流 誤差；
[0022] 1、在控制器中將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電流誤差作為該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電流環(huán)控制算法的控制 輸入，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到關(guān)節(jié)電機(jī)的輸入電壓值；
[0023] m、將關(guān)節(jié)電機(jī)的輸入電壓施加于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào) 控制關(guān)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)關(guān)節(jié)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)空間天文望遠(yuǎn)鏡運(yùn)動(dòng) 至期望慣性姿態(tài)。
[0024] 所述臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制系統(tǒng)，包括與空間飛行器電連接的控制 器；安裝在空間天文望遠(yuǎn)鏡上且與控制器電連接的望遠(yuǎn)鏡慣性位置傳感器；與控制器電連 接且與臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡中的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)相等的關(guān)節(jié)位置傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電 機(jī)電流傳感器和關(guān)節(jié)慣性速度傳感器，每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上對(duì)應(yīng)固定一個(gè)關(guān)節(jié)位置傳感器和一 個(gè)關(guān)節(jié)慣性速度傳感器；
[0025] 每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上均固定有一個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)，同一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上的關(guān)節(jié)電機(jī)和關(guān)節(jié)位 置傳感器之間為機(jī)械連接，每個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)分別與一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)電機(jī)電流傳感器 電連接；
[0026] 所述控制器接收空間飛行器的期望慣性姿態(tài)指令信號(hào)，接收由關(guān)節(jié)位置傳感器測(cè) 量得到的關(guān)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)，接收由電機(jī)電流傳感器測(cè)量得到的關(guān)節(jié)電機(jī)的電流信 號(hào)，接收由關(guān)節(jié)慣性速度傳感器測(cè)量得到的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)于慣性系的角速度信號(hào)，接收由 望遠(yuǎn)鏡慣性位置傳感器測(cè)量得到的空間天文望遠(yuǎn)鏡光軸的實(shí)際慣性姿態(tài)信號(hào)，通過(guò)控制器 對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算得到控制信號(hào)發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接收 控制信號(hào)后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)控制關(guān)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)關(guān)節(jié)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)， 從而帶動(dòng)空間天文望遠(yuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)至期望慣性姿態(tài)。
[0027] 當(dāng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的數(shù)量為三個(gè)時(shí)，步驟a的具體過(guò)程為：
[0028] 采用拉格朗日方法，通過(guò)分析計(jì)算建立臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的動(dòng)力學(xué)模型，如式 (1)所示：
[0029]

【權(quán)利要求】
1.臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制方法，其特征在于，該方法是將臂式空間天文 望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制系統(tǒng)安裝在臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡和空間飛行器（1)上，對(duì)臂式空間 天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向進(jìn)行自動(dòng)控制，該方法的條件和步驟如下： a、 依據(jù)事先經(jīng)過(guò)分析或試驗(yàn)得到的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的包含非線性因素的動(dòng)力學(xué) 模型，采用反饋線性化方法，得到分別對(duì)應(yīng)于每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的單輸入單輸出線性化模 型和非線性補(bǔ)償力矩； b、 依據(jù)每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的單輸入單輸出線性化模型設(shè)計(jì)完成每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的電 流環(huán)控制算法、速度環(huán)控制算法和位置環(huán)控制算法，將這三個(gè)控制算法和步驟a中得到的 每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的非線性補(bǔ)償力矩存儲(chǔ)于控制器（3)中； c、 控制器（3)接收來(lái)自于空間飛行器（1)的期望慣性姿態(tài)指令信號(hào)，包括俯仰、橫滾和 偏航三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的期望角度值，望遠(yuǎn)鏡慣性位置傳感器（10)實(shí)時(shí)測(cè)量空間天文望遠(yuǎn) 鏡（2)光軸的實(shí)際慣性姿態(tài)信號(hào)，采用卡爾曼濾波算法（11)對(duì)空間天文望遠(yuǎn)鏡（2)光軸的 實(shí)際慣性姿態(tài)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得到更加精確的慣性姿態(tài)信號(hào)，包括俯仰、橫滾和偏航三個(gè)旋 轉(zhuǎn)自由度的角度值； d、 在控制器（3)中將期望慣性姿態(tài)指令信號(hào)與精確的慣性姿態(tài)信號(hào)相減，即將俯仰、 橫滾和偏航三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的期望角度值分別減去各自對(duì)應(yīng)自由度的角度值，得到空間天 文望遠(yuǎn)鏡（2)光軸的慣性姿態(tài)誤差； e、 每個(gè)關(guān)節(jié)位置傳感器（6)實(shí)時(shí)測(cè)量得到對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)，通過(guò) 控制器（3)中的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模塊（12)以空間天文望遠(yuǎn)鏡（2)光軸的慣性姿態(tài)誤差、關(guān)節(jié) 電機(jī)（5)的旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)作為輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的關(guān) 節(jié)角誤差值； f、 在控制器（3)中將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的關(guān)節(jié)角誤差值作為該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的位置環(huán)控制 算法（13)的控制輸入，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)速度環(huán)的控制輸入； g、 每個(gè)關(guān)節(jié)慣性速度傳感器（9)實(shí)時(shí)測(cè)量得到對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)相對(duì)于慣性系的角 速度信號(hào)，在控制器（3)中將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)速度環(huán)的控制輸入減去對(duì)應(yīng)于該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4) 相對(duì)于慣性系的角速度信號(hào)，得到每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的慣性角速度誤差值； h、 在控制器（3)中將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的慣性角速度誤差值作為該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的速度環(huán) 控制算法（14)的控制輸入，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)電流環(huán)的第一個(gè)控制輸入； i、 將步驟a中得到的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的非線性補(bǔ)償力矩作為該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)電流環(huán)的第 二個(gè)控制輸入； j、 在控制器（3)中將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)電流環(huán)的第一個(gè)控制輸入和第二控制輸入相加得到 該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的電流環(huán)的總控制輸入； k、 電機(jī)電流傳感器（8)實(shí)時(shí)測(cè)量得到每個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的電流信號(hào)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4) 的電流環(huán)的總控制輸入減去對(duì)應(yīng)于該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的電流信號(hào)，得到每個(gè) 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的電流誤差； l、 在控制器（3)中將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的電流誤差作為該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的電流環(huán)控制算法 (15)的控制輸入，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的輸入電壓值； m、 將關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的輸入電壓施加于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（7)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（7)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電 壓信號(hào)控制關(guān)節(jié)電機(jī)（5)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)關(guān)節(jié)電機(jī)（5)控制旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)空 間天文望遠(yuǎn)鏡（2)運(yùn)動(dòng)至期望慣性姿態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制方法，其特征在于，所 述臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制系統(tǒng)，包括與空間飛行器（1)電連接的控制器（3); 安裝在空間天文望遠(yuǎn)鏡（2)上且與控制器（3)電連接的望遠(yuǎn)鏡慣性位置傳感器（10);與控 制器（3)電連接且與臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡中的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)個(gè)數(shù)相等的關(guān)節(jié)位置傳感器 (6) 、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（7)、電機(jī)電流傳感器（8)和關(guān)節(jié)慣性速度傳感器（9)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4) 上對(duì)應(yīng)固定一個(gè)關(guān)節(jié)位置傳感器（6)和一個(gè)關(guān)節(jié)慣性速度傳感器（9); 每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)上均固定有一個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)（5)，同一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)上的關(guān)節(jié)電機(jī) (5)和關(guān)節(jié)位置傳感器（6)之間為機(jī)械連接，每個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)（5)分別與一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 (7) 和一個(gè)電機(jī)電流傳感器⑶電連接； 所述控制器（3)接收空間飛行器（1)的期望慣性姿態(tài)指令信號(hào)，接收由關(guān)節(jié)位置傳感 器（6)測(cè)量得到的關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)，接收由電機(jī)電流傳感器（8)測(cè)量得到的 關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的電流信號(hào)，接收由關(guān)節(jié)慣性速度傳感器（9)測(cè)量得到的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)相對(duì) 于慣性系的角速度信號(hào)，接收由望遠(yuǎn)鏡慣性位置傳感器（10)測(cè)量得到的空間天文望遠(yuǎn)鏡 (2)光軸的實(shí)際慣性姿態(tài)信號(hào)，通過(guò)控制器（3)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算得到控制信 號(hào)發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（7)，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（7)接收控制信號(hào)后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)控 制關(guān)節(jié)電機(jī)（5)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)關(guān)節(jié)電機(jī)（5)控制旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)空間天文望 遠(yuǎn)鏡（2)運(yùn)動(dòng)至期望慣性姿態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制方法，其特征在于，當(dāng) 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)的數(shù)量為三個(gè)時(shí)，步驟a的具體過(guò)程為： 采用拉格朗日方法，通過(guò)分析計(jì)算建立臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的動(dòng)力學(xué)模型，如式（1) 所示：
式（1)中：ezte:e2e3]T為3X1的列矩陣，表示臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的三個(gè)關(guān) 節(jié)角；M(0)為3X3的慣量矩陣；為3X3的矩陣，表示離心和哥氏力項(xiàng)；T= [1\ T2T3]t為3X1的列矩陣，表示臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的三個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的輸出力矩；1\= [TuIY2TJt為3X1的列矩陣，表示臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的三個(gè)非線性擾動(dòng)力矩，采用 最小二乘方法通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)試驗(yàn)得到，&為0對(duì)時(shí)間t的一階微分，#為0對(duì)時(shí)間t的二 階微分； 依據(jù)上述得到的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的動(dòng)力學(xué)模型，采用反饋線性化方法設(shè)計(jì)三個(gè)關(guān) 節(jié)電機(jī)（5)的輸出力矩，如式⑵所示：
式⑵中，Ts=[TS1TS2TS3]t為3X1的列矩陣，表示需要計(jì)算的控制力矩，
將式⑵代入式⑴可得：
由此可知，臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)線性系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制方法，其特征在于，步 驟b的具體過(guò)程為： 關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型如式（4)所示：
式⑷中，下標(biāo)1表示第1個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)⑷，U為關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的輸入電壓，i為關(guān)節(jié)電 機(jī)（5)的電流，R為關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的繞組電阻，L為關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的繞組電感，KT為關(guān)節(jié)電機(jī) (5)的力矩系數(shù)，電流環(huán)設(shè)計(jì)為PI控制器，電流環(huán)控制算法（15)為PI控制算法，如式（5) 所示：
式（5)中，下標(biāo)1表示第1個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)⑷，id表示電流環(huán)控制算法的輸入值，KPjPKn 分別為電流環(huán)控制算法的比例系數(shù)和積分系數(shù)，關(guān)節(jié)電機(jī)（5)在電流環(huán)設(shè)計(jì)為較高帶寬閉 環(huán)系統(tǒng)時(shí)，由于速度環(huán)帶寬較低，對(duì)于速度環(huán)的設(shè)計(jì)，電流環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)增益 為1的比例環(huán)節(jié)，即I\=KT1idl; 由此可知，電流環(huán)控制算法的輸入值為：
"為非線性補(bǔ)償力矩，第二項(xiàng)"Mn(e)Tsl/Kn"為速度環(huán)控制算法的輸出值，依據(jù)式（6)可以 消除非線性的影響； 速度環(huán)控制算法如式（7)所示：
式（7)中，KV1、TV1和TV2均為可調(diào)整的參數(shù)，可以依據(jù)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)幅頻特性曲線進(jìn)行合 理調(diào)整，以保證靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性； 位置環(huán)控制算法采用一階滯后-超前校正方法，如式（8)所示：
式（8)中，Kp1、TpJPTP2均為可調(diào)整的參數(shù)，可以依據(jù)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)幅頻特性曲線進(jìn)行合 理調(diào)整，以保證靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。
5. 用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制方法的控制系統(tǒng)， 其特征在于，該系統(tǒng)包括： 與空間飛行器（1)電連接的控制器（3);安裝在空間天文望遠(yuǎn)鏡（2)上且與控制器（3) 電連接的望遠(yuǎn)鏡慣性位置傳感器（10);與控制器（3)電連接且與臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡中的 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)個(gè)數(shù)相等的關(guān)節(jié)位置傳感器（6)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（7)、電機(jī)電流傳感器（8)和 關(guān)節(jié)慣性速度傳感器（9)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)上對(duì)應(yīng)固定一個(gè)關(guān)節(jié)位置傳感器（6)和一個(gè)關(guān) 節(jié)慣性速度傳感器（9); 每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)上均固定有一個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)（5)，同一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)上的關(guān)節(jié)電機(jī) (5)和關(guān)節(jié)位置傳感器（6)之間為機(jī)械連接，每個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)（5)分別與一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 (7)和一個(gè)電機(jī)電流傳感器⑶電連接； 所述控制器（3)接收空間飛行器（1)的期望慣性姿態(tài)指令信號(hào)，接收由關(guān)節(jié)位置傳感 器（6)測(cè)量得到的關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)，接收由電機(jī)電流傳感器（8)測(cè)量得到的 關(guān)節(jié)電機(jī)（5)的電流信號(hào)，接收由關(guān)節(jié)慣性速度傳感器（9)測(cè)量得到的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)相對(duì) 于慣性系的角速度信號(hào)，接收由望遠(yuǎn)鏡慣性位置傳感器（10)測(cè)量得到的空間天文望遠(yuǎn)鏡 (2)光軸的實(shí)際慣性姿態(tài)信號(hào)，通過(guò)控制器（3)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算得到控制信 號(hào)發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（7)，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（7)接收控制信號(hào)后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)控 制關(guān)節(jié)電機(jī)（5)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)關(guān)節(jié)電機(jī)（5)控制旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（4)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)空間天文望 遠(yuǎn)鏡（2)運(yùn)動(dòng)至期望慣性姿態(tài)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述控制器（3)采用以DSP和FPGA為核心處理器的控制電路板。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述關(guān)節(jié)電機(jī)（5)采用直流力矩電機(jī)；所述關(guān)節(jié)位置傳感器（6)采用絕對(duì)式光電編碼器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（7)采用集成PWM和H橋的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述電機(jī)電流傳感器（8)采用霍爾電流傳感器；所述關(guān)節(jié)慣性速度傳感器（9)采用光纖陀螺。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的臂式空間天文望遠(yuǎn)鏡的慣性指向控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述望遠(yuǎn)鏡慣性位置傳感器（10)采用星敏感器和光纖陀螺組成的組合慣導(dǎo)系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G05B19/19GK104483899SQ201410641627
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】曹小濤, 王棟, 劉南南, 楊維帆 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所