一種氣球吊籃反作用飛輪的簡易平穩降速方法技術

本發明專利技術提供一種氣球吊籃反作用飛輪的簡易平穩降速方法，適用于以反作用飛輪系統、反捻機構進行方位控制的氣球吊籃。針對氣球吊籃在飛輪轉速飽和或退出控制過程中需要對飛輪降速的問題，改進了以往的卸荷過程中控制系統邏輯結構復雜問題。具體方法為，測量飛輪當前速度值，將其與目標速度進行比較，根據比較結果向飛輪驅動電路施加一個固定的給定信號，同時反捻機構不再主動提供力矩，而是保持氣球和吊籃相對靜止，可實現飛輪的平穩降速。本發明專利技術在飛輪降速過程中不需要吊籃的方位控制系統進行閉環，也不需要反捻機構提供額外的力矩，簡化了高空氣球吊籃反作用飛輪控制系統及反捻機構控制系統在卸荷過程的結構，降低了高空氣球吊籃的控制系統設計難度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于控制工程領域，特別涉及一種氣球吊籃反作用飛輪在轉速飽和或退出控制狀態時的平穩降速方法。
技術介紹
氣球吊籃，是指通過柔性連接(通常為纜繩)吊掛在氣球、飛艇等浮空載體下方的設備搭載平臺，有時也稱作懸吊平臺或浮空平臺，在天文觀測、氣象、遙感、高能物理等科學領域有廣闊的應用前景。氣球吊籃在正常工作時，需要對其方位姿態角(以下簡稱方位角)進行控制，以保證其上搭載的設備可以穩定工作。吊籃的方位角控制系統通常由兩個子系統組成：反作用飛輪系統和反捻機構。反作用飛輪系統測量吊籃方位角、方位角速度、以及飛輪轉速，通過電機調整飛輪轉速，利用飛輪角動量變化產生的反作用力矩實現吊籃方位角的穩定和調整。反捻機構通常有兩個功能：一是解耦，測量氣球吊繩上的扭矩，通過調整氣球和吊籃的相對位置消除纜繩上的扭矩；二是卸荷，在飛輪轉速接近飽和時，反捻電機提供額外的力矩使得飛輪電機轉速回到零位。一般情況下，飛輪需要降速的場合有兩個：一是飛輪轉速接近飽和時；二是退出控制狀態前，若此時飛輪處于高速旋轉狀態，如果不對飛輪降速而突然撤去飛輪電機上的控制量，飛輪在摩擦力作用下急劇降速，其角動量變化造成的反作用力矩會引起吊籃劇烈晃動。根據現有公開發表的文獻，卸荷過程中的飛輪降速由反捻系統起主導作用。西北工業大學自動化學院張偉、袁朝輝、章衛國等人在論文《平流層球載系統方位控制仿真與試驗研究》(《計算機仿真》，2009年8月26卷第8期，37～40頁)指出“當飛輪電機的轉速較高時，為了使飛輪電機回到可控范圍，反捻電機提供額外力矩使得飛輪電機轉速回到零附近，完成卸荷功能。”西北工業大學蔡滿意、何長安在論文《氣球吊籃姿態控制系統的仿真研究》(《計算機仿真》，2005年11月22卷第11期，56～59頁)中也指出“…很快轉速將達到飽和，因此必須有一個機構能夠在飛輪電機到達飽和之前，使其重新回到原先的轉速工作點附近。…即利用反捻電機在吊籃上產生與摩擦力矩相反的電磁力矩，使飛輪電機向相反的方向加速，…”。西北工業大學何琳琳，竇滿鋒也在論文《直流力矩電動機在氣球吊籃方位控制系統中的應用》(《微特電機》2005年第9期，32～34頁)指出：“為了防止飛輪的速度達到極限后不能實現正常控制，在角動量系統中加裝了‘解耦卸荷’裝置(本系統加裝了反捻機構)。”何琳琳等人還在論文《高空氣球吊籃全數字反捻系統》(《微特電機》，2005年12期，31～33頁)中指出“反捻器作為吊繩扭矩的去耦機構和反作用飛輪角動量的卸荷機構，是協助氣球吊籃實現高精度姿態控制和預期姿態穩定控制的重要組成部分。”以上系統中，飛輪降速時均采用類似專利《一種懸吊平臺的方位控制系統及其方法》(ZL201110338480.9)說明書附圖1的控制結構，即在飛輪系統閉環的條件下，反捻機構主動施加額外的力矩，吊籃(專利中稱為懸吊平臺)角位置控制器為保證吊籃角位置穩定，迫使飛輪降速。這種方法需飛輪工作在閉環條件下，控制系統結構復雜，且反捻機構施加的力矩大小不易控制，而且還可能引起飛輪系統轉速變化發生振蕩。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是：當氣球吊籃反作用飛輪轉速飽時，或者飛輪轉速不為零且將要退出控制狀態時，對飛輪平穩降速，以免引起吊籃晃動，且避免傳統飛輪降速方法中需飛輪系統閉環，由反捻機構主動提供額外扭矩的時控制結構復雜的問題。本專利技術解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種氣球吊籃反作用飛輪的簡易平穩降速方法，根據飛輪當前實際轉速與目標轉速的差，給飛輪電機驅動電路一個固定幅值的給定信號，該信號符號根據飛輪旋轉方向變化，使飛輪驅動電機做降速運動，當飛輪轉速降低至目標范圍內時撤去該信號。其中，該方法適用于含有反作用飛輪子系統、反捻機構的氣球吊籃在卸荷、退出姿態控制狀態需要飛輪降速的場合，在降速過程中，反捻機構不再主動提供額外力矩，而是保持吊籃和氣球相對靜止。該方法利用氣球吊籃姿態控制系統現有的硬件結構----含反作用飛輪系統和反捻機構，只改變控制策略，在飛輪控制系統開環的情況下，給飛輪驅動電路一個小的降速信號，同時反捻機構保持吊籃和纜繩相對靜止，直至轉速降至目標范圍內。具體實施步驟為：(1)接到降速指令后，根據任務決定目標轉速(卸荷與退出控制狀態時降速的目標轉速可能不同)，控制器讀取當前飛輪旋轉方向及轉速。(2)控制器向飛輪電機驅動電路發一個幅值固定的信號，該信號的符號根據飛輪當前轉速方向確定，確保使飛輪速度降低，其幅值應保證飛輪降速引起的反作用扭矩在反捻機構可以承受的安全范圍之內。同時，反捻機構呈“鎖死”狀態(即保證纜繩和吊籃相對靜止)。(3)控制器繼續讀取飛輪轉速及方向，當轉速降至目標范圍內時，撤去向飛輪電機驅動電路的給定信號，降速過程結束。(4)切換至其他控制狀態。本專利技術的原理如下：當飛輪需要降速時，控制器直接向飛輪電機的驅動電路發出一個幅值恒定的降速信號，該信號引起飛輪電機做勻減速運動，同時保證飛輪角動量變化引起的反作用扭矩在反捻機構的安全承受范圍內。反捻機構保持相對靜止狀態，不再主動提供額外的扭矩，只是被動的接受飛輪角動量變化所產生的反作用扭矩，并將之傳遞給纜繩和氣球。實際上和吊籃相比，氣球的轉動慣量非常大，當吊籃以較低的角加速度進行降速時，纜繩傳來的扭矩引起氣球角動量變化可以忽略不計，而氣球本身的轉動速度很慢，在減速過程中所轉動的角度可以忽略不計，所以在此過程中吊籃的方位角可以保持穩定。這一過程體現在附圖2中，吊籃方位角變化與飛輪角動量變化不再有聯系，吊籃模型在飛輪減速控制框圖中省略。本專利技術與現有技術相比具有如下優點：(1)本專利技術提出的減速方法不再需要反捻機構主動提供控制額外的扭矩，只是被動的接受飛輪角動量變化帶來的扭矩，提高了系統的安全性。(2)在減速過程中不再需要飛輪系統工作在閉環狀態，避免了系統閉環可能帶來的反作用扭矩過大、振蕩等問題。(3)本專利技術在硬件實現上不改變原有的吊籃姿態控制系統硬件結構，只需軟件上簡化信號流程，投入成本較低。本專利技術提出的簡易降速方法，適用于含有反作用飛輪系統、反捻機構的氣球吊籃在卸荷、退出控制狀態時的平穩降速，簡化了氣球吊籃方位姿態角的控制系統結構。附圖說明圖1為以往的氣球吊籃反作用飛輪降速時的的控制系統的框圖，其中，圖1(a)為總系統控制框圖，圖1(b)為總系統控制框圖中執行機構子單元的結構示意圖；圖2為本專利技術氣球吊籃反作用飛輪降速時的控制系統的框圖；圖3為本專利技術的控制器主程序流程圖；圖4為本專利技術應用范例的實測實驗數據曲線。具體實施方式以下說明本專利技術的實施例。但以下的實施例僅限于解釋本專利技術，本專利技術的保護范圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例對該領域的技術人員即可以實現本專利技術權利要求的全部內容。下面以某氣球吊籃方位控制系統的飛輪降速實施例為例對本專利技術進一步說明。如圖2所示，為本專利技術氣球吊籃反作用飛輪降速時的控制系統的結構，包含驅動電路、飛輪電機、飛輪、飛輪轉速測量和反捻機構。飛輪轉速測量單元測量當前飛輪的轉速用以進行給定切換，驅動電路則把給定轉化為驅動電壓送給飛輪電機，從而控制飛輪的轉速，實現平穩降速。某氣球吊籃已安裝方位控制系統：含方位角測量器件(根據地磁信號測量吊籃方位角)、方位角速度測量器件(陀螺滿量程±本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氣球吊籃反作用飛輪的簡易平穩降速方法，其特征在于：根據飛輪當前實際轉速與目標轉速的差，給飛輪電機驅動電路一個固定幅值的給定信號，該信號符號根據飛輪旋轉方向變化，使飛輪驅動電機做降速運動，當飛輪轉速降低至目標范圍內時撤去該信號。

【技術特征摘要】
1.一種氣球吊籃反作用飛輪的簡易平穩降速方法，其特征在于：根據飛輪當前實際轉速與目標轉速的差，給飛輪電機驅動電路一個固定幅值的給定信號，該信號符號根據飛輪旋轉方向變化，使飛輪驅動電機做降速運動，當飛輪轉速降低至目標范圍內時撤去該信號。2.根據權利要求1所述的一種氣球吊籃反作用飛...

【專利技術屬性】
技術研發人員：毛耀，鄧超，于偉，劉瓊，曹政，
申請(專利權)人：中國科學院光電技術研究所，
類型：發明
國別省市：四川;51