执行机构工作原理及模型

航天器系统仿真与CAD

授课教师：朱圣英

数学仿真相关模型

¾敏感器数学模型¾控制器数学模型

执行机构分类¾轨道控制

推力器工作原理

推力器是目前航天器控制使用最广泛的执行机构之一。其原理

推力器工作原理

根据产生推力所需能源的形式不同，推力器可以分为

各类推力器工作特点

推力器控制任务

航天器通常都具有多个推力器组成的推力器系统，随着航天器

推力器典型安装

推力器典型安装

“阿波罗”登月舱

推力器典型安装

凤凰号探测器

推力器性能要求

无论推力器执行什么样的任务，在选择推力器时应当考虑以下

推进系统组成及工作原理单组元推进系统统场有

推进系统组成及工作原理

电磁阀的工作原理

电磁阀的非线性特性

由于推力器电磁阀为电磁元件，控制信号与电磁阀电流类似一

电磁阀的非线性特性

电磁阀的非线性特性

可以导出等效的推力方波的宽度，记为

推力器的数学模型

考虑到控制系统设计以及数学仿真的需要，下面给出几种实

理想开关特性的推力器数学模型

这是一种比较简单的推力器数学模型，没有考虑开启时延

带有时延开关特性的推力器数学模型

这种推力器模型比上个模型更精确一些，考虑了开启和关闭时延，但仍然忽略了开启和关闭过程中推力动态变化过程，即仍

考虑时延的指数近似推力器数学模型

这种推力器数学模型既考虑了开启和关闭时的推力上升和下降的动态特性（指数近似），因此是一种比较精确的数学模型，

飞轮的工作原理

飞轮的工作原理是根据

飞轮

飞轮的分类

根据飞轮的结构特点和产生控制作用的形式可以分为三种：

惯性轮

当飞轮的支承与航天器固联时，器本体坐标系不变

控制力矩陀螺

如果把

航天器本体转动

在一个平面内，后者则可在三维空间任意改变。

控制力矩陀螺

框架动量轮

如果在控制力矩陀螺的基础上，轮子旋转的速度也可变化，即动量矩的大小和方向均可变，这种飞轮称为框架动量轮。

框架动量轮

飞轮系统的优缺点

与喷气推力器三轴姿态稳定系统相比，飞轮三轴姿态稳定系统具有多方面的优点。

飞轮系统的组成

飞轮的构成主要包括

电动机

飞轮通常采用直流无刷电机

电动机

其时域方程为：

电动机传递函数飞轮转速Ω

飞轮传递函数

当飞轮作为姿态控制执行机构时，其输出的实际控制力矩

飞轮工作模式

在实际使用情况下，不直接使用电枢电压作为控制信号，根

力矩模式

对于力矩模式，控制指令

力矩模式下传递函数则飞轮产生的实际控制力矩

转速模式

对于转速模式的飞轮，其输入控制信号与飞轮期望角动量成

转速模式

转速模式下传递函数则飞轮产生的实际控制力矩

两种工作模式飞轮的比较对于力矩模式飞轮

两种工作模式飞轮选择

力矩模式和转速模式各有利弊，选择时需根据实际情况而

内容安排

3 磁力矩器系统组成及工作原理

环境场执行机构

航天器的执行机构除了推力器和飞轮两类主要执行机构外，

磁力矩

航天器的磁特性和环境磁场相互作用可产生磁力矩，其大小为

磁力矩器工作原理

对地球轨道航天器来说，只要航天器存在磁矩，磁力矩总是存