[发明专利]新型磁浮作动器组合布局及高可靠冗余设计方法

权利要求书

1.一种新型磁浮作动器组合布局及高可靠冗余设计方法，其特征在于，包括：

步骤1：明确每台磁浮作动器的安装要求，每台磁浮作动器输出两个正交控制力；从安装位置和二维输出力矢量方向多维角度，对8台磁浮作动器组合进行布局和可靠度提升冗余优化配置设计，8台作动器均垂直安装，安装支架统一，基于非接触、高精度、无时延磁浮作动器实现载荷舱与安装活动部件的平台舱分离，彻底消除微振动影响；

步骤2：建立指令控制力和力矩伪逆分配算法，实现三轴平动控制力和三轴转动控制力矩的解耦输出，满足双超卫星平台载荷舱姿态和两舱相对质心位置的解耦控制需求；

步骤3：通过对力和力矩分配矩阵秩的分析，得到磁浮作动器组合的冗余度，进而计算得到组合的可靠度，持续优化指导系统最优设计；

所述步骤1对8台磁浮作动器组合进行布局设计，保证组合具备三轴控制力和力矩输出能力，给出8台磁浮作动器在卫星机械坐标系下的安装位置和安装角；8台磁浮作动器在机械坐标系下的安装位置与输出力矢量方向如下表所示：

注：上表中“√”表示可输出该方向作用力，“×”表示不可输出该方向作用力；

所述步骤2通过以下步骤建立指令控制力和力矩伪逆分配算法：

设指令控制力为F_cmd，指令控制力矩为T_cmd，有

其中F_i和T_i(i＝x,y,z)分别为三轴控制力和力矩，设8台磁浮作动器输出力为

设载荷舱质心相对机械坐标系的位置为[ΔxΔyΔz]，根据8台磁浮作动器的布局和二维力输出方向，可得

改写为矩阵形式，有

M·F＝[F_cmd T_cmd]^T (4)

其中，M为分配矩阵，将六维指令力和力矩分配至8台16路磁浮作动力，有

根据伪逆算法，可得伪逆解

F＝M^T·(M·M^T)^-1·[F_cmd T_cmd]^T (5)

从而得到16路指令输出力。

2.根据权利要求1所述的新型磁浮作动器组合布局及高可靠冗余设计方法，其特征在于，根据线性代数原理，上述分配矩阵必须满秩才能正常输出三轴控制力和三轴控制力矩，即必须满足

rank(M)＝6 (6)

根据该原理，可进行磁浮作动器组合的冗余度分析，具体分析方法如下：

S1、设置第k台磁浮作动器失效，k＝1,2,…8；

S2、设置分配矩阵M的第2*k-1至2*k列的所有元素为0；

S3、对新的分配矩阵求秩，判断是否满秩；

S4、根据排列组合原理遍历所有可能失效工况：

①8台磁浮作动器中任意1台失效

根据排列组合原理，存在种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴控制力和三轴控制力矩；

②8台磁浮作动器中任意2台失效

根据排列组合原理，存在种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴控制力和三轴控制力矩；

③8台磁浮作动器中任意3台失效

根据排列组合原理，存在种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有工况均可正常输出三轴控制力和三轴控制力矩；

④8台磁浮作动器中任意4台失效

根据排列组合原理，存在种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有工况中，除两种工况外，其余工况均能输出三轴控制力和三轴控制力矩；

⑤8台磁浮作动器中任意5台失效

根据排列组合原理，存在种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩，可见所有56种工况中，有40种工况能输出三轴控制力和三轴控制力矩；

⑥8台磁浮作动器中任意6台失效

根据排列组合原理，存在种工况，按照前述分析步骤，得到每种工况分配矩阵的秩如可见所有工况下分配矩阵的秩均小于6，即所有工况均不能输出三轴控制力和三轴控制力矩；

从而8台磁浮作动器组合的冗余度为：

在任意3台及3台以下作动器完全失效的情况下，均能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；

在任意4台作动器完全失效的情况下，70种工况中有68种工况能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；

在任意5台作动器完全失效的情况下，56种工况中有40种工况能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；

在任意6台及6台以上作动器完全失效的情况下，不能正常输出三轴平动和三轴转动控制作用；

根据上述冗余度分析结果，设每台磁浮作动器状态一致，单台可靠度为R，组合系统可靠度为R_sys，则可通过下式进行磁浮作动器组合的可靠度R_sys计算

假设单台可靠度为R＝0.8，可得R_sys＝0.995，可见在单台单机可靠度较低的情况下，通过布局优化设计，可得到极高的组合可靠度。