基于單軸氣浮臺的載荷運動特性測試的設計實現(xiàn)與分析

彭瑞 謝任遠

(上海航天控制技術研究所,上海 201109)

基于單軸氣浮臺的載荷運動特性測試的設計實現(xiàn)與分析

彭瑞 謝任遠

(上海航天控制技術研究所,上海 201109)

為驗證某衛(wèi)星轉動載荷的大角動量補償功能是否滿足實際使用需求,設計出基于單軸氣浮轉臺,利用單軸氣浮臺測角裝置和陀螺組合,對轉動載荷在不同質量(轉動慣量相同)、不同轉動角速度的情況下的運動特性進行測量的地面試驗系統(tǒng),并以某一工況為例,得出載荷轉動的時域與頻域特性。試驗結果為大角動量補償功能的設計完善提供了依據(jù),對衛(wèi)星后續(xù)研制意義重大。

單軸氣浮臺 頻譜分析 運動特性 地面試驗系統(tǒng)

1　引言

隨著衛(wèi)星載荷的不斷發(fā)展和衛(wèi)星平臺技術的日漸成熟，載荷對衛(wèi)星平臺的要求越來越高，兩者的關系逐漸從載荷適用平臺發(fā)展為載荷決定平臺，由此給衛(wèi)星平臺的研制工作提出了更高的要求。為了降低研制風險， 需要通過各種類型的大量地面仿真試驗對系統(tǒng)方案進行驗證[1]。

某衛(wèi)星載荷在衛(wèi)星入軌后一直處于勻速轉動狀態(tài)，其轉動產(chǎn)生的角動量由衛(wèi)星姿軌控分系統(tǒng)進行長期補償，因此探測頭部旋轉角速度的特性，直接影響衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度指標。

本文根據(jù)某衛(wèi)星載荷的運動特性，構建了一個基于單軸氣浮臺的對載荷在不同質量(轉動慣量相同)、不同轉動角速度的情況下的運動特性進行測量的地面試驗系統(tǒng)，同時對測試出的轉速進行頻譜分析，得到載荷轉動的時域與頻域特性，為優(yōu)化角動量補償控制設計提供了依據(jù)。

2　頻譜分析理論及在Matlab中的應用

控制系統(tǒng)的設計應該從分析性能要求開始，而頻譜分析是性能分析的基礎。另外，頻譜分析也是設計和分析中常用到的一種數(shù)據(jù)處理手段。因此，設計者不僅應該知道頻譜的概念，還應該掌握頻譜的分析方法[2]。

2.1傅里葉級數(shù)

對于周期為T的周期函數(shù)f(t):

如果f(t)滿足狄里赫利條件:在區(qū)間T上有界，且僅有有限個極大值和極小值，則f(t)可用收斂的傅立葉級數(shù)來表示。

三角函數(shù)形式的傅里葉級數(shù)為

上式的系數(shù)為

控制系統(tǒng)中使用復數(shù)形式的傅里葉級數(shù)

其中的系數(shù)kc為

c為復數(shù)，一般可表示為如下形式

k

從(5)式可知kc和-kc為共軛復數(shù)，對于其中的每一組可以寫成

式(7)表明，當用復數(shù)形式表示是，復系數(shù)kc的幅值ka表示了第k次諧波的幅值(幅值為2ka)，而kc的相角kβ則為該次諧波的相移。這種用復數(shù)形式來表示的諧波常稱為復數(shù)正弦。

用傅里葉級數(shù)來表示函數(shù)f(t)，無論是實數(shù)形式還是復數(shù)形式，都是將f(t)看成是由各次諧波所組成。傅里葉級數(shù)的系數(shù)表示了各次諧波的幅值和相位，這些系數(shù)的集合稱為頻譜。

圖1　試驗系統(tǒng)組成

2.2傅里葉積分和傅里葉變換

控制系統(tǒng)分析中，經(jīng)常遇到非周期函數(shù)，這時傅里葉級數(shù)就不能應用了，但可以用傅里葉積分來處理[2]。

式(8)稱為傅里葉積分，式(9)中的F(j)ω稱為函數(shù)f(t)的傅里葉變換。

設將f/2ωπ=作為頻率的橫坐標，這時式(8)改寫為:

對于(8)式，按照積分的概念可得:

或者可以寫為:

圖2　轉速波動量測試結果對比圖

圖3　轉速頻域分析結果對比

傅里葉積分將一個非周期函數(shù)f(t)分解為各次諧波，每一個諧波的幅值由(8)式可知為:

這幅值為無窮小，所以一般用相對幅值F(j)ω來表示其頻譜。這就是說，傅立葉變換F(j)ω表示的是該非周期信號諧波的分布特性，故F(j)ω稱為信號的頻譜特性，簡稱為頻譜。

傅里葉變換使得我們可以從頻譜的角度來分析信號。

2.3頻譜分析在MATLAB中的應用

離散傅里葉變換是進行頻譜分析的基本工具，在實際中得到廣泛應用的是快速傅里葉變換(F F T算法)?，F(xiàn)在F F T已可以用MATLAB軟件中的fft函數(shù)來進行計算，這個函數(shù)做的是下面的變換

式(14)中W=e-j2π/N，N是x的點數(shù)(即數(shù)據(jù)長度)。

n

實際使用中需要注意FFT算法與其它函數(shù)一起運用。本文中頻譜分析的函數(shù)算法如下:

3　試驗系統(tǒng)設計

氣浮臺依靠氣源提供的壓縮空氣在氣浮軸承與軸承座之間形成氣膜， 從而使氣浮臺的轉臺浮起， 實現(xiàn)近似無摩擦的相對運動條件，以模擬衛(wèi)星載荷在外層空間所受干擾力矩很小的力學環(huán)境[2]。某衛(wèi)星載荷在衛(wèi)星入軌后一直處于勻速轉動狀態(tài)，為測試其運動特性，設計的試驗系統(tǒng)組成如圖1所示。本試驗中氣浮臺為單軸精密氣浮臺;反作用飛輪用于標定圖1所示的氣浮臺總的轉動慣量;陀螺組合用于測量載荷轉動時氣浮臺的相對轉動角速度;載荷探測頭部模擬慣量盤用于模擬載荷探測頭部的轉動(質量可調、轉動慣量相同)，由載荷伺服控制器控制其轉動角速度。

圖1中，載荷探測頭部模擬慣量盤、動量輪通過工裝設備固連于單軸氣浮臺上，陀螺組合、反作用飛輪地面試驗設備、陀螺組合地面試驗設備直接放置在氣浮臺上;載荷伺服控制器、載荷地檢設備放置于臺下。載荷伺服控制器通過載荷地檢設備進行供電、控制與相關通訊;反作用飛輪、陀螺組合分別通過專用測試設備進行供電、控制與相關通訊;單軸氣浮臺通過配平塊進行配平，通過自準直儀進行測角與測角速度;遠控機通過網(wǎng)絡控制飛輪和陀螺的地面軟件，用以發(fā)送指令和存儲數(shù)據(jù)。載荷的臺上臺下連接電纜加工材料采用柔性較好軟線或散線，通過吊裝設備從氣浮臺中心上方垂下，以減小電纜產(chǎn)生的扭矩對試驗的影響。

4　試驗數(shù)據(jù)分析和處理方法

4.1氣浮臺整體轉動慣量JO的計算

已知反作用飛輪的轉動慣量是J1=0.0465kgm2，轉速為ω1為飛輪轉速;臺體轉動慣量設為J0，轉速ω0為氣浮臺自準儀的測量值;根據(jù)動量守恒公式J0*ω0=J1*ω1，可計算出氣浮臺體的轉動慣量J0= (J1*ω1)/ω0。

試驗中共進行了4組測試，分別根據(jù)反作用飛輪0rpm-＞1000rpm、1000rpm-＞0rpm、0rpm-＞-1000rpm和-1000rpm-＞0rpm四種工況下的氣浮臺轉速數(shù)據(jù)(△ω01、△ω02，△ω03，△ω 04)，算出臺體的轉動慣量(J01、J02，J03，J04)，取平均值作為氣浮臺體的轉動慣量。

4.2載荷轉速波動量的計算

載荷探測頭部轉動慣量J2取理論值19 kgm2，轉速設為ω2;臺體轉動慣量為J0(4.1中計算值)，轉速ω0為氣浮臺自準儀測量值;根據(jù)動量守恒公式J0*ω0=J2*ω2，可計算出ω2=(J0*ω0)/J2。

試驗中分別在模擬慣量盤質量60kg和90kg條件下，進行了轉動角速度108°/s、120°/s、150°/s共六種工況的測試;根據(jù)氣浮臺轉速數(shù)據(jù)(陀螺數(shù)據(jù)和自準儀數(shù)據(jù))，計算并畫出每一種工況下三個轉動角速度波動量(載荷自身采集，陀螺數(shù)據(jù)換算和自準儀數(shù)據(jù)換算)的數(shù)值對比曲線，得出每種工況下的載荷探測頭部轉動角速度波動量范圍。

為更好的反映運動特性，分別對不同工況下的陀螺轉速、載荷轉速、氣浮臺轉速利用FFT進行頻譜分析，從頻率角度進一步分析其運動特性。

5　試驗結果分析

試驗共進行了六種工況的測試，現(xiàn)取其中一種工況(質量60kg、轉速120°/s)進行試驗結果分析。在此種工況下，經(jīng)測試標定，氣浮臺整體平均慣量為2951.045kgm2，載荷探測頭部與氣浮臺的慣量比為142。

此種工況下的轉速波動量測試結果對比曲線如圖2所示。

陀螺轉速、氣浮臺轉速、載荷轉速的時域與頻域分析曲線對比如圖3所示。

通過測試曲線對比分析，可以得出試驗結果為:

(1)氣浮臺采集數(shù)據(jù)、陀螺采集數(shù)據(jù)與載荷采集數(shù)據(jù)基本一致，載荷探測頭部穩(wěn)態(tài)運行時的轉速波動量基本在±0.2°/s范圍內;

(2)氣浮臺、陀螺與載荷數(shù)據(jù)頻譜分析一致。基頻為0.33 Hz，有多倍頻，且基頻分量均遠大于倍頻分量。

6　結語

本文設計出了基于單軸氣浮臺的某衛(wèi)星載荷運動特性測試的地面試驗系統(tǒng)，并提出了試驗數(shù)據(jù)分析和處理方法。

通過對某一工況的測試結果分析，獲得了載荷時域和頻域的轉動特性，根據(jù)測試和分析結果進一步完善角動量補償控制的設計，對載荷的優(yōu)化設計提出進一步要求。本次試驗對后續(xù)研制工作意義重大。

[1]李季蘇,牟小剛,張錦江.衛(wèi)星控制系統(tǒng)全物理仿真[J].控制工程, 2003(1):20-26.

[2]王廣雄,何朕著.控制系統(tǒng)設計.清華大學出版社,2008.3.

[3]劉飛,董云峰.基于單軸氣浮臺的空間跟瞄地面試驗的設計與實現(xiàn).計算機測量與控制,2010,18(3):626-628.