一種動量輪低轉速貧信息條件下的力矩測量方法

2023-05-09 02:17:26

一種動量輪低轉速貧信息條件下的力矩測量方法
【專利摘要】一種動量輪低轉速貧信息條件下的力矩測量方法，根據歷史及當前的動量輪轉速測量信息，利用新陳代謝型離散灰色預測模型預測下一時刻的轉速值；基於該轉速預測值與修正的當前時刻測量值的差分，計算得到當前時刻的力矩測量值；在新陳代謝型離散灰色預測模型的計算前，利用轉速均方差和平均相對建模誤差自動調整建模數據長度。本發明克服了直接利用原始轉速信息進行差分求導的弊端，又避免了額外引入動量輪控制電壓或電流信息的困難，而力矩測量的準確性和實時性卻可有效提高，尤其適用於低轉速貧信息條件下的動量輪力矩測量。
【專利說明】一種動量輪低轉速貧信息條件下的力矩測量方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種動量輪低轉速貧信息條件下的力矩測量方法，適用於太空飛行器控制 系統地面測試時的動量輪力矩測量，也可推廣應用於其它類似轉動機構的有低轉速測量需 要的場合。

【背景技術】
[0002] 動量輪是太空飛行器上最常用的執行機構之一，是實現太空飛行器姿態閉環控制的重要環 節。其基本原理是，通過調節動量輪轉速，進行動量輪與太空飛行器本體之間的角動量交換，進 而實現太空飛行器姿態轉角控制。其本質是動量輪與太空飛行器本體之間的相互力矩作用。在航天 器控制系統地面測試中，需要根據動量輪輸出的轉速信息，計算動量輪作用於太空飛行器的反 作用力矩，並作為太空飛行器姿態動力學模型的輸入，經解算後獲得太空飛行器的姿態信息。因此， 動量輪的力矩測量是控制系統地面測試中的一項重要工作。
[0003] 動量輪的力矩測量方式可分為兩大類：
[0004] (1)採用專門的硬體設備進行測量，通常是將動量輪置於單軸氣浮臺上，並將氣浮 臺與力矩器聯接，基於力矩平衡原理利用力矩器的輸出來測量動量輪的力矩（參考文獻： 邵長勝，鄧正隆.衛星姿控仿真系統中的力矩傳感器.宇航學報，2000, 21 (4): 90-94)。這 類方法需要研製專門的硬體設備，成本昂貴，使用複雜。
[0005] (2)以轉速測量為基礎的測量方法，其基本原理是通過轉速差分獲得角加速度，再 將角加速度與轉動慣量相乘即得動量輪的反作用力矩。這類方法屬於軟體式測量方法，實 現起來比較簡單，基本上不需要增加額外的硬體設備，因而在控制系統的地面測試中獲得 了廣泛應用。這類方法又可分為3種子類：a)直接利用測量的角速度信息進行差分計算，由 於轉速採集存在時延和誤差（尤其是低轉速時），這種直接計算方法存在較大弊端，通常只 在要求不高的場合使用；b)對轉速數據進行濾波處理，這種方法雖然可以降低測量噪聲帶 來的誤差，但卻引入了更多的時間滯後；c)利用控制電壓或電機電流等信息、結合轉速信 息，構建線性狀態觀測器（參考文獻[1]:王炳全，李瀛，楊滌.改善反作用輪低速性能的補 償觀測器方法.空間科學學報，1999, 19(4) : 362-367。參考文獻[2]:李連軍，戴金海.反 作用輪低速特性觀測補償方法.國防科技大學學報，2005, 27 (1) : 39-43)，其缺點是需要額 外引入動量輪的控制電壓或電流信息，而絕大多數動量輪通常都不提供控制電壓或驅動電 流的地面測量接口；當然，控制電壓等測量信息是可以通過星上遙測得到的，但受遙測機制 的限制，這些遙測信息有0.5s (快幀）甚至8s以上（慢幀）的時延，因此是難以直接應用 於觀測器中的。
[0006] 綜上所述，現有的動量輪力矩測量方法都存在一定的局限性。尤其是對於低轉速 (300轉/分鐘以下）貧信息（僅能獲得轉速脈衝信息）條件下的力矩測量而言，第二大類 方法（即軟體式測試方法）效果不佳。主要困難在於，在低轉速時動量輪的轉速測點很少 (目前工程上使用的動量輪測速方式多為每轉出24或36個脈衝的方式），存在較大的時延 和測量誤差，若直接根據轉速信息進行差分求導來計算反作用力矩，其誤差往往非常大，以 至於無法使用；並且低轉速時尤其是零轉速附近摩擦力矩的特性非常複雜，基於建模的觀 測器方法也難以取得好效果。


【發明內容】

[0007] 本發明的技術解決問題：克服現有以轉速測量為基礎的動量輪力矩測量方法的不 足，提出一種動量輪低轉速貧信息條件下的力矩測量方法，既克服了直接利用原始轉速信 息進行差分求導的弊端，又避免了額外引入動量輪控制電壓或電流信息的困難，有效提高 了力矩測量的準確性和實時性，尤其適用於低轉速貧信息條件下的動量輪力矩測量。
[0008] 本發明的技術解決方案：一種動量輪低轉速貧信息條件下的力矩測量方法，其特 徵在於步驟如下：
[0009] (1)將動量輪轉速的歷史測量值及當前k時刻測量值按時間順序排成一個轉速測 量值序列，計算當前k時刻的轉速均方差，根據該均方差和k-Ι時刻計算的平均相對建模誤 差的大小自動調整建模數據長度，k為大於等於1的整數。
[0010] (2)根據步驟（1)獲得的建模數據長度，構建新陳代謝型離散灰色預測模型，由該 模型計算得到動量輪轉速的一步預測值，將該預測值與歷史預測值按時間順序排成一個轉 速預測值序列。
[0011] (3)根據步驟（1)得到的轉速測量值序列和步驟（2)得到的轉速預測值序列，計算 當前k時刻的平均相對建模誤差。
[0012] (4)根據步驟（3)得到的當前k時刻的平均相對建模誤差決定當前時刻的力矩計 算模型，根據該模型計算得到當前時刻的力矩。
[0013] (5)將步驟（3)得到的平均相對建模誤差返回到步驟（1)。
[0014] 所述的步驟（1)中自動調整建模數據長度的方法如下：
[0015] (1)初始時令建模數據長度N為區間[5, 15]中的某一個值；
[0016] (2)根據當前k時刻及前溯N-1個時刻的共N個轉速測量值按時間順序排成轉速 測量值序列ωΜ+1，…，c〇k，計算當前k時刻轉速均方差〇k，計算公式如下：
[0017]

【權利要求】
1. 一種動量輪低轉速貧信息條件下的力矩測量方法，其特徵在於包括步驟如下： (1) 將動量輪轉速的歷史測量值及當前k時刻測量值按時間順序排成一個轉速測量值 序列，計算當前k時刻的轉速均方差，根據該均方差和k-1時刻計算的平均相對建模誤差的 大小自動調整建模數據長度，k為大於等於1的整數； (2) 根據步驟（1)獲得的建模數據長度，構建新陳代謝型離散灰色預測模型，由該模型 計算得到動量輪轉速的一步預測值，將該預測值與歷史預測值按時間順序排成一個轉速預 測值序列； (3) 根據步驟⑴得到的轉速測量值序列和步驟（2)得到的轉速預測值序列，計算當前 k時刻的平均相對建模誤差； (4) 根據步驟（3)得到的當前k時刻的平均相對建模誤差決定當前時刻的力矩計算模 型，根據該模型計算得到當前時刻的力矩； (5) 將步驟（3)得到的平均相對建模誤差返回到步驟（1)。
2. 根據權利要求1所述的一種動量輪低轉速貧信息條件下的力矩測量方法，其特徵在 於：所述的步驟（1)中自動調整建模數據長度的方法如下： (1) 初始時令建模數據長度N為區間[5, 15]中的某一個值； (2) 根據當前k時刻及前溯N-1個時刻的共N個轉速測量值按時間順序排成轉速測量 值序列ωΜ+1，…，c〇 k，計算當前k時刻轉速均方差〇k，計算公式如下：
⑴ 其中，j是中間臨時變量，取值為k-N+1，k-N+2,…，k ; 是j時刻的轉速測量值；勿為 均值，其計算公式如下：
(2) (3) 將當前k時刻轉速均方差以及前溯N-1個時刻的轉速均方差按時間順序排成一個 序列〇k_N+1，…， 〇k，計算該序列中的最大值〇max; (4) 用下述公式調整建模數據長度N :
(3) 式中，符號表示將右邊的值賦給左邊；Nd為調整量基值，默認取5 ;c為加權係數，默 認取0. 5 ; Λ η為上一步k-Ι時刻的平均相對建模誤差，初始時取0 ;
為平均相對建模 誤差序列中的最大值；int為取整函數。
3. 根據權利要求1所述的一種動量輪低轉速貧信息條件下的力矩測量方法，其特徵在 於：所述的步驟（2)的新陳代謝型離散灰色預測模型的計算過程如下： (1)將轉速測量值序列記為
，計算該序列對應的一次累加生成序 列
，該序列中每個元素411的計算公式如下： (4) (2) 根據步驟（1)中的一次累加生成序列，記一次累加值向量
記一次累加值歷史矩陣
記待求的係數向量
，其中βρ β2、03為3個待求係數，由如下公式計算係數向量：
(5) (3) 根據公式（5)得到的3個係數βρ β2、β3，計算新陳代謝型離散灰色預測模型的 k+Ι時刻一次累加預測值
(6) (4) 對k+l時刻一次累加預測值做還原計算，得到k+l時刻的轉速預測值％+1:
(7)
4. 根據權利要求1所述的一種動量輪低轉速貧信息條件下的力矩測量方法，其特徵在 於：所述的步驟（3)的平均相對建模誤差Ak計算方法如下：
(8) 式中，
為j時刻的轉速預測值； 當前k時刻的平均相對建模誤差Ak將用於下一步k+Ι時刻的公式（3)的計算中，以 自動調整k+Ι時刻的建模數據長度N。
5. 根據權利要求1所述的一種動量輪低轉速貧信息條件下的力矩測量方法，其特徵在 於：所述的步驟（4)的力矩計算方法如下： 當Λ k < D，新陳代謝型離散灰色預測模型可用，採用基於新陳代謝型離散灰色預測模 型的力矩計算公式：
(9) 其中D為平均相對建模誤差預設檻值，D的取值範圍為[2, 5]轉/分鐘；
為k時刻 的轉速預測值； 當Λ k>D，新陳代謝型離散灰色預測模型不可用，採用基於k時刻轉速測量值修正的非 預測型力矩計算公式： (10) 其中，J為動量輪的轉動慣量，S t為計算步長，
為k-i時刻的轉速預測值。
【文檔編號】G01L5/00GK104062054SQ201410256770
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】王佐偉, 楊帆, 蔡君亮, 劉江, 吳小明 申請人:北京控制工程研究所