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三轴气浮台多体动力学建模与仿真_论文

21 00年 6月   第 2 卷第 3 8 期  西 北 工 业 大 学 学 报  Ju a fN r w s r  oyeh ia  iest  o r l   ot etn P lte nclUnv ri n o h e y Jn   2 1   ue 00 V0. 8 No 3 12   .   三 轴 气 浮 台 多体 动 力 学 建 模 与 仿 真  陈欢龙  周  军  刘莹莹 , 小刚2 , ,   牟   (. 1西北工业 大学精确制导与控制研究所 , 陕西 西安 7 07 ; . 10 2 2 北京控制工程研究所 , 北京 10 8 ) 00 0  摘 要 : 了研 究 多体卫星 的地 面物理仿真试验 方 法, 为 根据 动量矩 定理 , 文章建 立 了转动 附件 与三轴  气浮台中心刚体直联 以 及级联情况下的动力学模型。针对带一个附件的三轴气浮台, 利用 S u n  i lk m i 进行 了开环动 力学仿 真 , 结果显示 , 附件 的转动对 台体的姿 态耦 合特 性 明显 , 如果 不对 由于附件 转动  引起 的气浮 台系统总质 心的 变化进行补 偿 , 力静 不平衡 力矩将 严重影 响物理 仿真 过程 的进 行。转  重 动附件的质心偏 离转动轴或转动中心的程度也决定 了附件转动对本体的影响。根据该动力学方程,   通过 对转动部件质 量特性 的精确建模 , 以分析及计算部件转动对 气浮 台本体运 动特性的影响。 可   关 键 词: 气浮 台, 多体 动 力学 , 动 附件 , 值仿真  转 数 文献标 识码 :  A 文章 编号 : 0 -7 8 2 1) 303 -6 1 025 (00 0 -32   0 0 中图分类 号 :  2 、   气浮台是在地面重力场环境下进行卫星控制系   统全物理仿真的重要试验设备 。全物理仿真避免了   系统中某些实物部件难 于建立精确数学模型 的困   难。对于验证控制系统方案设计 的正确性 , 检验实  际控制系统的功能和性能具有十分重要的意义。目   前, 由于重力场 的影 响 , 三轴气 浮 台不 能直接 进行带  有挠性附件 ( 如太阳能帆板 ) 的多体卫星全物理仿  真实验 , 挠性附件 的动力学特性一般采用单轴气浮  台进行模拟¨ 】 .。带刚性附件 的三轴气浮台仿真也  2 有待进一步研究。   对 于气 浮 台系 统 , 台上 的转 动 附件 一 般都 按照  固定规律运动 , 即部件转动时的角速度和角加速度  均是 已 的。本文根据动量矩定理 , 知 通过详细的推  导 给出了带 刚性 转动 附件 的三 轴 气 浮 台动 力 学 模  别为刚体 B ,:  B 的质心 ,  d: 分别为从 内接铰  d。     、 、 点 指 向外接 铰点或 质心 的通路 矢量 , P 为 转轴基  p 、: 矢量。 D 为原点 , 以   建立中心体的连体坐标系 , 称为  本体坐标系 O y, xz定义广义坐标 、 0为本体系和    地面系 O Y X Z的 3个欧拉角( 偏航角、 滚转角、 俯仰  角 )0为 刚体 : , 的转 动角 。   ’   型, 并分析了附件运动对气浮台本体的影响。   气浮台运动学描述  图 1 带一个转 动部 件的三轴气浮 台     以p 为 z , 0 为原点 , : 轴 铰 : 建立转轴基坐标系,   图1 是带一个转动部件的三轴气浮台示意图。   转轴基坐标系与气浮台的本体坐标系的差别是安装  图中, 为气浮台底座 ,    B 为中心刚体 , 与底座以气  矩阵 Q 。    浮球铰 0 联接,:   B 为中心体上的转动附件 , 与中心  以p 为z轴 , 0 为原点, : 铰 : 建立刚体  的连体  : 体 1 以铰 D 联接 ,: :   可绕 e ’   轴转动。 。 c 分  c和   坐标系, 该坐标系与转轴基坐标系的夹角为 0  。 收稿 日 : 0- - 基金项 目: 期2 941 0 02 空间智能控制技术 国家级重点实验室(08 c2o8 与 民用航天计划( 52020 ) 2oD 0o0 ) C 1 672  ̄  0 作者简介 : 陈欢龙(9 2一) 西北工业大学博士研究生 , 18 , 主要从事航天器控制与仿真技术研究 。   第 3期  陈欢 龙等 : 三轴气浮 台多体动力学建模 与仿真  ?3   3 3? m 是中心刚体的角速度在本体坐标系中的投    影 , 为 刚体   绕其 本体 轴 z轴 的角速 度 , 义在    定 刚体  的连体坐标系中, 即  影 , 角速度 合成原 理 , 根据 有  o   l J 2= +Q2L    = o 1 十 J … =J 1 +o2×  ̄2+o1× :   J   - o J   .   ,  ( + 。×(     )   )+ +   = [ 0  0 T O  0 ] 。   为刚体 B 的角速 度在本体 坐标 系 中的投  。 ,   , 2×(     ×d2 )+ n 2  lx( l )   m d2×( ×( × )  2l       ) 式 中 . = + ,     : .  = ,2 1   , n d2 d () 3  = +     Q L 一 十 l×( T : )   T T'   / } Q2 T  。 厶  式中 L  =L ( )为绕 Z轴 的旋 转矩 阵 。 ;0   若  为刚体 日 的质心在与铰 0 固联 的转轴      .  示把 部件 相 对 回转 中心 的惯 量 矩 阵 , 表示  , 表 :   基坐标 系中 的矢 量 , 则  =QT T2, 笠为 : … L c2、 c 质心  部 件相对 铰点 的惯 量矩 阵 , 表示将 转动部件 的质  . , 在其连体坐标系 中的矢量 。所 以

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