一种飞轮演示系统，包括轴心线沿竖直方向设置的轴承(1)以及用于模拟航天器的水平设置的转盘(2)，转盘可在水平面内转动，转盘上固定有驱动电机(3)，驱动电机连接有用于模拟航天器飞轮的质量块(4)，以及用于检测转轴转速的速度传感器，轴承(1)的外圈或内圈连接有用于检测转盘实际转动角度的角位移传感器。本发明的演示系统充分模拟了航天器的空间环境，本发明的演示方法通过将轴承内外圈之间的摩擦阻力矩辨识出来，并将辨识出的摩擦阻力矩输入到控制系统模型中，为控制系统的设计提供较准确的模型，使得控制系统更稳定，转盘的角度也更稳定。
1.一种飞轮演示系统，其特征在于，包括轴心线沿竖直方向设置的轴承(1)以及用于模拟航天器的水平设置的转盘(2)，所述轴承(1)的内圈或外圈(12)与演示平台固定在一起，所述转盘(2)设有中心孔，轴承(1)的外圈或内圈(11)卡入转盘(2)的中心孔使得转盘(2)可跟随轴承(1)的外圈或内圈在水平面内转动，转盘(2)上固定有位于轴承径向外围的驱动电机(3)，驱动电机(3)的转轴轴心线与轴承(1)的轴心线平行，驱动电机(3)的壳体与转盘固连，驱动电机(3)的转轴连接有用于模拟航天器飞轮的质量块(4)，驱动电机(3)的转轴还连接有用于检测转轴转速的速度传感器，轴承(1)的外圈或内圈连接有用于检测转盘实际转动角度的角位移传感器。
2.根据权利要求1所述的一种飞轮演示系统，其特征在于，所述飞轮演示系统设有控制器，驱动电机(3)、及驱动电机转轴所连接的速度传感器、以及角位移传感器均由控制器电连接控制，控制器用于接收速度传感器所反馈的转轴的转速和角位移传感器所反馈的转盘(2)的实际转动角度，并根据转轴的转速、转盘(2)的实际转动角度及动量矩定理计算出轴承(1)的内圈与外圈之间的摩擦阻力矩，将摩擦阻力矩辨识后输入到控制系统模型，从而为控制系统的设计提供较准确的模型。
3.根据权利要求1或2所述的一种飞轮演示系统，其特征在于，轴承(1)的内圈与外圈之间还设有用于将驱动电机(3)及速度传感器的线缆转接到演示平台上的桌面控制系统的滑环(5)，其中滑环(5)的转子与轴承外圈固连，滑环(5)的定子与轴承内圈固连，驱动电机(3)及速度传感器的线缆接到滑环转子上，滑环定子及角位移传感器的线缆直接和设置在演示平台上的桌面控制系统连接，从而使可转动部分的线缆通过滑环转接到演示平台，避免转盘(2)转动过程中发生线缆缠绕现象。
4.根据权利要求1或2所述的一种飞轮演示系统，其特征在于，转盘(2)上设有用于帮助转盘(2)调节水平的水平泡(21)。
5.根据权利要求1或2所述的一种飞轮演示系统，其特征在于，所述质量块(4)为圆形盘式结构。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的飞轮演示系统设置的一种演示方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)计算轴承(1)内圈与外圈之间的摩擦阻力矩Lf，忽略系统的偏心效应，根据动量矩定理有：
再将Tp＝Ipωp(式2)以及Td＝Idωd(式3)代入式1得：其中Lf为轴承内圈与外圈之间的摩擦阻力矩，Tp为转盘的动量矩，Ip为转盘的转动惯量，ωp为转盘的转动角速度，其中Td为驱动电机转轴的动量矩，Id为驱动电机转轴的转动惯量，ωd为由速度传感器感应的驱动电机转轴的转动角速度，θ为由角位移传感器感应的转盘的转动角位置；
2)根据步骤1所计算的摩擦阻力矩Lf，将摩擦阻力矩Lf输入到控制系统模型，为控制系统的设计提供较准确的模型，具体如下：根据驱动电机的转速控制规律：
驱动电机的电路数学模型为：Ud＝UL+RI(式6)，
其中Ud为电枢端电压，ω0为驱动电机加速后所要达到的预定转速，kp为比例增益，kv为速度增益，kI为电流增益，I为线圈电流，UL为电枢感应电压，R为电枢电阻，Φ为每极总磁通，r为电枢半径，Ce为电机感应线圈感应电势常数， 其中p为驱动电机极对数，N为电枢绕组总导体数，2a为电刷间的并联支路数；
其中T0为驱动电机本身的阻转矩，TL为负载转矩，Tj为电机及负载的惯性转矩，且J为负载和电机转动部分的转动惯量；
将式12代入式11并结合式9，系统的控制方程简化为 使系统成为
典型的二阶环节，调整参数kα与kβ，使得系统稳定，从而实现了转盘的角度稳定。
一种飞轮演示系统及其演示方法
技术领域
[0001] 本发明涉及航天器演示系统，特别的，涉及一种飞轮演示系统及其演示方法。
背景技术
[0002] 飞轮系统是在航天器(星体)中得到广泛应用的主动控制系统。飞轮的连续加速或减速引起的反作用力矩作用在与航天器固定在一起的驱动电机定子上，使航天器姿态作某一改变后，转入稳定状态，飞轮系统的工作原理就是动量矩定理，即星体的总动量矩(各部件动量矩矢量之和)对时间的导数，等于作用在星体上的外力矩之和，特别当外力矩矢量之和为零时，则星体动量矩守恒。
[0003] 如何在地面直观、逼真的模拟通过飞轮控制航天器姿态的过程，对于航天器的研究有着重要作用，对于院校的动量矩定理教学、航天器控制系统教学、航天器姿态教学效果也有着重要的影响力。
[0004] 现有技术中，关于航天器飞轮的演示系统较少提及，中国专利201410291394.0公开了一种利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量模拟的方法，其航天器模拟件通过电机带动转动，而天体实际运行过程中不是由电机驱动旋转的，且其转动惯量模拟的方法并没有将系统中的摩擦阻力矩识别出来，而是需要将摩擦阻尼与增速机的转动惯量忽略，且其算得转动惯量是由其飞轮得出的一个等效值，算得的天体转动惯量误差会较大。
发明内容
[0005] 本发明目的在于提供一种飞轮演示系统及其演示方法，以解决背景技术中提出的问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种飞轮演示系统，包括轴心线沿竖直方向设置的轴承(1)以及用于模拟航天器的水平设置的转盘(2)，所述轴承(1)的内圈(11)或外圈(12)与演示平台固定在一起，所述转盘(2)设有中心孔，轴承(1)的外圈(12)或内圈(11)卡入转盘(2)的中心孔使得转盘(2)可跟随轴承(1)的外圈或内圈在水平面内转动，转盘(2)上固定有位于轴承径向外围的驱动电机(3)，驱动电机(3)的转轴轴心线与轴承(1)的轴心线平行，驱动电机(3)的壳体与转盘固连，驱动电机(3)的转轴连接有用于模拟航天器飞轮的质量块(4)，驱动电机(3)的转轴还连接有用于检测转轴转速的速度传感器，轴承(1)的外圈或内圈连接有用于检测转盘实际转动角度的角位移传感器。
[0007] 所述飞轮演示系统设有控制器，驱动电机(3)、及驱动电机转轴所连接的速度传感器、以及角位移传感器均由控制器电连接控制，控制器用于接收速度传感器所反馈的转轴的转速和角位移传感器所反馈的转盘(2)的实际转动角度，并根据转轴的转速、转盘(2)的实际转动角度及动量矩定理计算出轴承(1)的内圈与外圈之间的摩擦阻力矩，将摩擦阻力矩辨识后输入到控制系统模型，从而为控制系统的设计提供较准确的模型。
[0008] 本飞轮演示系统的原理为：驱动电机(3)通电带动质量块(4)旋转，当转轴带动质量块(4)加速或减速时，会对驱动电机(3)定子部分及与定子部分固连的转盘(2)产生反作用力，当反作用力大于轴承内外圈之间的摩擦阻力时，必然带动转盘旋转，转盘产生的动量矩加上克服摩擦阻力所消耗的动量矩等于航天器飞轮获得的动量矩。
[0009] 进一步的，轴承(1)的内圈与外圈之间还设有用于将驱动电机(3)及速度传感器的线缆转接到演示平台上的桌面控制系统的滑环，其中滑环转子(51)与轴承外圈固连，滑环定子(52)与轴承内圈固连，驱动电机(3)及速度传感器的线缆接到滑环转子上，滑环定子及角位移传感器的线缆直接和设置在演示平台上的桌面控制系统连接，从而使可转动部分的线缆通过滑环转接到演示平台，避免转盘(2)转动过程中发生缆缠绕现象。
[0010] 进一步的，转盘(2)上设有用于帮助转盘(2)调节水平的水平泡(21)。
[0011] 优选的，所述质量块(4)为圆形盘式结构。
[0012] 根据所述飞轮演示系统，本发明还提供了一种演示方法，包括以下步骤：
[0013] 1)计算轴承(1)内圈与外圈之间的摩擦阻力矩Lf，忽略系统的偏心效应，[0014] 根据动量矩定理有：
[0015] 再将Tp＝Ipωp(式2)以及Td＝Idωd(式3)代入式1得：
[0016] 其中Lf为轴承内圈与外圈之间的摩擦阻力矩，Tp为转盘的动量矩，Ip为转盘的转动惯量，ωp为转盘的转动角速度，其中Td为驱动电机转轴的动量矩，Id为驱动电机转轴的转动惯量，ωd为由速度传感器感应的驱动电机转轴的转动角速度，θ为由角位移传感器感应的转盘的转动角位置；
[0017] 2)根据步骤1所计算的摩擦阻力矩Lf，将摩擦阻力矩Lf输入到控制系统模型，为控制系统的设计提供较准确的模型，具体如下：
[0018] 根据直流伺服驱动电机(3)的转速控制规律：
[0019] 驱动电机的电路数学模型为：Ud＝UL+RI(式6)，
[0020] 电机的转动模型为：UL＝CeΦωdr(式7)，
[0021] 其中Ud为电枢端电压，ω0为驱动电机加速后所要达到的预定转速，kp为比例增益，kv为速度增益，kI为电流增益，I为线圈电流，UL为电枢感应电压，R为电枢电阻，Φ为每极总磁通，r为电枢半径，Ce为电机感应线圈感应电势常数， (p为驱动电机极对数，N为电枢绕组总导体数，2a为电刷间的并联支路数)；
[0022] 将式6、式7代入式5得：
[0023] 驱动电机的电磁转矩为
[0024] 其中T0为驱动电机本身的阻转矩，TL为负载转矩，Tj为电机及负载的惯性转矩，且J为负载和电机转动部分的转动惯量；
[0025] 联立式4、式8、式9得到控制系统的数学模型：
[0026]
[0027] 根据式10的数学模型，将式8进一步转化为： 并代入式4得：
[0028]
[0029] 式11可进一步转化为：
[0030] 调节ω0，使得
[0031] 将式12代入式11并结合式9，系统的控制方程可简化为 使系统成为典型的二阶环节，可以调整参数kα与kβ，使得系统稳定，从而实现了转盘的角度稳定。
[0032] 有益效果：本发明的演示系统通过水平设置的转盘模拟航天器，用连接有驱动电机的可转动的质量块模拟航天器上的飞轮，转盘与演示平台之间设置低阻尼的轴承，充分模拟了航天器的空间环境，本发明的演示方法通过将轴承内外圈之间的摩擦阻力矩辨识出来，并将辨识出的摩擦阻力矩输入到控制系统模型中，为控制系统的设计提供较准确的模型，使得控制系统更稳定，转盘的角度也更稳定，可控性好。
[0033] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0034] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0035] 图1是本发明优选实施例的飞轮演示系统整体结构示意图。
[0036] 图中：1-轴承，11-轴承内圈，12-轴承外圈，2-转盘，21-水平泡，3-驱动电机，4-质量块，51-滑环转子，52-滑环定子。
具体实施方式
[0037] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0038] 参见图1的一种飞轮演示系统，包括轴心线沿竖直方向设置的轴承(1)以及用于模拟航天器的水平设置的转盘(2)，轴承(1)的内圈(11)下端与演示平台固定在一起，转盘(2)设有中心孔，轴承(1)的外圈(12)上端卡入转盘(2)的中心孔使得转盘(2)可跟随轴承(1)的外圈绕轴承(1)的内圈转动，转盘(2)上固定有位于轴承径向外围的驱动电机(3)，驱动电机(3)的转轴轴心线与轴承(1)的轴心线平行，驱动电机(3)的壳体与转盘固连，驱动电机(3)的转轴连接有用于模拟航天器飞轮的质量块(4)，驱动电机(3)的转轴还连接有用于检测转轴转速的速度传感器，轴承(1)的外圈连接有用于检测外圈实际转动角度的角位移传感器(图中未示出)。
[0039] 飞轮演示系统设有控制器，驱动电机(3)、及驱动电机转轴所连接的速度传感器、以及角位移传感器均由控制器电连接控制，控制器用于接收速度传感器所反馈的转轴的转速和角位移传感器所反馈的转盘(2)的实际转动角度，并根据转轴的转速、转盘(2)的实际转动角度及动量矩定理计算出轴承(1)的内圈与外圈之间的摩擦阻力矩，将摩擦阻力矩辨识后输入到控制系统模型，从而为控制系统的设计提供较准确的模型。
[0040] 轴承(1)的内圈与外圈之间还设有用于将驱动电机(3)及速度传感器的线缆转接到演示平台上的桌面控制系统的滑环，其中滑环转子(51)与轴承外圈固连，滑环定子(52)与轴承内圈固连，驱动电机(3)及速度传感器的线缆接到滑环转子上，滑环定子及角位移传感器的线缆直接和设置在演示平台上的桌面控制系统连接，从而使可转动部分的线缆通过滑环转接到演示平台，避免转盘(2)转动过程中发生缆缠绕现象。
[0041] 转盘(2)上设有用于帮助转盘(2)调节水平的水平泡(21)，本实施例中，水平泡(21)设置在转盘的中心孔内。
[0042] 本实施例中，质量块(4)为圆形盘式飞轮结构。
[0043] 本实施例中，角位移传感器采用绝对值编码器。
[0044] 一种飞轮演示系统的演示方法，包括以下步骤：
[0045] 1)计算轴承(1)内圈与外圈之间的摩擦阻力矩Lf，忽略系统的偏心效应，[0046] 根据动量矩定理有：
[0047] 再将Tp＝Ipωp(式2)以及Td＝Idωd(式3)代入式1得：
[0048] 其中Lf为轴承内圈与外圈之间的摩擦阻力矩，Tp为转盘的动量矩，Ip为转盘的转动惯量，ωp为转盘的转动角速度，其中Td为驱动电机转轴的动量矩，Id为驱动电机转轴的转动惯量，ωd为由速度传感器感应的驱动电机转轴的转动角速度，θ为由角位移传感器感应的转盘的转动角位置；
[0049] 2)根据步骤1所计算的摩擦阻力矩Lf，将摩擦阻力矩Lf输入到控制系统模型，为控制系统的设计提供较准确的模型，具体如下：
[0050] 根据驱动电机(本实施例中驱动电机选用直流伺服电机)转速控制规律：
[0051] 驱动电机的电路数学模型为：Ud＝UL+RI(式6)，
[0052] 电机的转动模型为：UL＝CeΦωdr(式7)，
[0053] 其中为电枢端Ud电压，ω0为驱动电机加速后所要达到的预定转速，kp为比例增益，kv为速度增益，kI为电流增益，I为线圈电流，UL为电枢感应电压，R为电枢电阻，Φ为每极总磁通，r为电枢半径，Ce为电机感应线圈感应电势常数， (p为驱动电机极对数，N为电枢绕组总导体数，2a为电刷间的并联支路数)；
[0054] 将式6、式7代入式5得：
[0055] 驱动电机的电磁转矩为
[0056] 其中T0为驱动电机本身的阻转矩，TL为负载(即质量块)转矩，Tj为电机及负载的惯性转矩，且 J为负载和电机转动部分的转动惯量；
[0057] 联立式4、式8、式9得到控制系统的数学模型：
[0058]
[0059] 控制问题可以描述为：如何调节kp、kv、kI和ω0，使得 其中θ0为所要控制的位置。
[0060] 根据式10的数学模型，将式8进一步转化为： 代入式4得：
[0061]
[0062] 式11可进一步转化为：
[0063] 调节ω0，使得
[0064] 系统的控制方程可简化为 使得系统成为典型的二阶环节，可以调整参数kα与kβ，使得系统稳定，从而实现了转盘的角度稳定。
[0065] 为简化问题，可分两步进行控制系统设计，首先，设计直流伺服驱动电机的转速控制系统，使得伺服系统稳定，并且具有一定的响应速度和较小的超调量；然后，再设计转盘的位置控制系统，使其能够转动到预定的位置。也就是说，首先调节控制参数kp、kv、kI和ω0，使得电机满足要求，再调节ω0，使得
[0066] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
