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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen Schwungräder, die zum Bereitstellen
einer Lagersteuerung für
Raumfahrzeuge benutzt werden, und insbesondere Schwungradanordnungen.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Schwungräder werden
gewöhnlich
zum Bereitstellen einer Lagersteuerung für verschiedene Raumfahrzeuge
benutzt. In der Regel umfassen Schwungräder einen Rotor, Lager und
einen Motor, wobei eine Drehrichtung des Schwungrads innerhalb der
Fahrzeugstruktur festgelegt ist. Der Motor stellt die Fähigkeit
bereit, die Radgeschwindigkeit des Rotors zu variieren. wenn die
Rotorgeschwindigkeit variiert wird, tritt ein Momentumaustausch
ein und der Motor stellt dem Fahrzeug um die Drehachse ein Drehmoment
bereit.
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In
den meisten Anwendungen wird eine Vielzahl von Schwungrädern in
einer Schwungradanordnung benutzt. Die Vielzahl von Schwungrädern in
der Anordnung ist derart angeordnet, dass ihre Drehachsen drei Dimensionen
für eine
Dreiachsensteuerung umfassen. Diese Anordnung der Vielzahl von Schwungrädern ermöglicht,
dass die Anordnung auf das Fahrzeug entlang unterschiedlicher, im
Allgemeinen aller drei Achsen ein Drehmoment anwendet. Das Drehmoment
kann auf diese Achsen selektiv ausgeübt werden, um eine Lagersteuerung
des Fahrzeugs bereitzustellen.
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Eine
typische Anordnung weist mindestens drei Schwungräder auf.
Diese Anzahl ist die minimale Anzahl, welche die Anordnung befähigt, auf
das Fahrzeug ein Drehmoment in jede beliebige Richtung auszuüben. In
vielen Anwendungen weisen Anordnungen mehr als drei Schwungräder auf.
Diese zusätzlichen
Schwungräder
verbessern das Drehmoment und die Momentumkapazität der Anordnung und/oder
stellen im Falle eines Ausfalls in einem der anderen Schwungräder eine
Sicherung bereit.
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Eine
mangelhafte Drehung des Rotors eines Schwungrades kann manchmal
zu Störungen
führen. Diese
Störungen,
die in der Regel in Form von Schwingungen bei Oberschwingungen der
Drehung, Nutation und Präzisionsfrequenzen
vorliegen, können
die Leistungsfähigkeit
des Fahrzeugs stören. Zum
Beispiel kann eine Schwingung in einem Satelliten verhindern, dass
der Satellit oder seine Nutzlast ein gewünschtes Ziel genau fixiert.
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Die
Schwingung und die Wirkung der Schwingung auf den Satelliten verändern sich
im Allgemeinen mit der Drehfrequenz der Rotoren. In einigen Frequenzbereichen
können
die Schwingungen, die durch die Drehung des Rotors verursacht werden, innerhalb
akzeptabler Grenzen liegen, während
die Schwingungen in anderen Frequenzbereichen die akzeptablen Grenzen überschreiten
können.
Radgeschwindigkeiten unterscheiden sich in der Regel unter den verschiedenen
Rädern
in einer Anordnung und diese Geschwindigkeiten verändern sich
mit der Zeit. Da die Raumfahrzeugdynamiken flexible Strukturen aufweisen,
die bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich gleichmäßig mitschwingen,
interagiert die Schwingung der Anordnung mit den Raumfahrzeugdynamiken
in einer Weise, die von den Drehgeschwindigkeiten der Räder abhängt. Außerdem können die
Wirkungen der Vielzahl unterschiedlicher Rotoren dazu beitragen,
dass unterschiedliche Kombinationen von Frequenzbereichen problematisch
sind.
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Neben
dem Verursachen von Störungen kann
der Betrieb der Schwungradanordnung andere frequenzabhängige Kosten
aufweisen. Zum Beispiel kann die Energie, die zum Ausführen einer
Lagersteuerung eines Fahrzeugs erforderlich ist, von der Kombination
der benutzten Drehfrequenzen abhängen,
da die elektro magnetische Leistung, die zum Bereitstellen eines
Drehmoments für
ein Rad erforderlich ist, mit seiner Drehgeschwindigkeit zunimmt. Ein
anderes Beispiel ist der Wärmeeffekt
des Betreibens eines Rades bei hoher Geschwindigkeit: ohne ausdrückliche
Warnung können
Radgeschwindigkeiten unnötig
hoch sein, wodurch unerwünschte
und unnötige
Warme eingeführt
wird. Wieder können
diese Kosten in manchen Situationen annehmbar und in anderen unannehmbar
sein.
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Folglich
wird ein verbessertes System und Verfahren zum Betreiben von Schwungrädern benötigt, welches
die Kosten zum Betreiben dieser Räder und die Wirkungen von durch
Frequenzen induzierten Störungen
des Fahrzeugs minimiert.
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In „Attitude
determination and control suitable for micro-spacecraft", 2000 IEEE Aerospace
Conference Proceedings, Band 7, 18. März 2000, Seite 143 bis 165,
werden ein System und ein Verfahren zum Reduzieren der Kostenauswirkungen
in einem Momentumsteuersystem offenbart, welches alle Merkmale gemäß dem Oberbegriff
der unabhängigen Ansprüche 1 und
6 aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Momentumsteuersystem (Anspruch
1) bereit, das zum Bereitstellen einer Lagersteuerung für Raumfahrzeuge benutzt
wird und Folgendes umfasst:
mehrere Schwungräder, wobei
die mehreren Schwungräder
mindestens ein Schwungrad mehr als Freiheitsgrade aufweisen, die
von dem Momentumsteuersystem gesteuert werden, wobei jedes der mehreren
Schwungräder
einen Rotor aufweist, der sich steuerbar um eine Achse dreht;
ein
Steuersystem, wobei das Steuersystem angeordnet ist, um Drehfrequenzen
der Rotoren in den mehreren Schwungrädern auszuwählen, um eine Kostenfunktion
zu verringern, die mit den Drehfrequenzen in Verbindung steht, und
gleichzeitig einem Fahrzeug auf gesteuerte Weise ein gewünschtes
Drehmoment zu verleihen, dadurch gekennzeichnet, dass:
die
Kostenfunktion eine Schwingung aufweist, die dem Fahrzeug verliehen
wird. Ein entsprechendes Verfahren (Anspruch 6) wird bereitgestellt.
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Das
Momentumsteuersystem und Verfahren weist mindestens ein Schwungrad
mehr als die gesteuerten Freiheitsgrade auf. Zum Beispiel werden
in einem Fahrzeug, das zum Drehen in alle drei Richtungen gestaltet
ist, mindestens vier Schwungräder bereitgestellt.
Das zusätzliche
Schwungrad stellt einen zusätzlichen
Steuerparameter bereit, der zum Minimieren der Kosten der Leistungsfähigkeit
des Momentumsteuersystems benutzt werden kann. Die Kosten des Momentumsteuersystems,
die minimiert werden können,
weisen unter anderem die Auswirkungen von Schwingung, Leistungsverbrauch
und unerwünschte
Veränderungen
der Drehrichtung auf.
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Das
Momentumsteuersystem und Verfahren minimiert die Kosten des Systems
durch Auswählen von
Drehfrequenzkombinationen für
die Schwungräder,
welche die negativen Auswirkungen der Räder reduzieren und dem Fahrzeug
gleichzeitig noch immer das gewünschte
Drehmoment bereitstellen. Anders gesagt benutzen das System und
das Verfahren die Flexibilität,
die von dem zusätzlichen
Schwungrad bereitgestellt wird, und benutzen und wählen aktiv
Drehfrequenzkombinationen aus, die das erforderliche Drehmoment
bereitstellen und wo möglich auch
Drehfrequenzen vermeiden, die dem System übermäßige Kosten verursachen.
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Die
zusätzlichen
Schwungräder,
die zum Bereitstellen der Drehfrequenzflexibilität benutzt werden, können zusätzliche
Schwungräder,
die zu diesem Zweck hinzugefügt
werden, oder die Benutzung von Schwung rädern umfassen, die auch als
Sicherungen im Falle eines Betriebsausfalls dienen.
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Die
vorstehend erwähnten
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus
der folgenden, ausführlicheren
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich,
wie in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche
Elemente bezeichnen, und in denen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Verfahrens zur Momentumsteuerung ist;
und
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2 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zur Momentumsteuerung ist; und
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3 bis 10 Diagramme
sind, die assoziierte Parameter eines Momentumsteuersystems und
Verfahrens darstellen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein System und Verfahren zur Momentumsteuerung
bereit, das eine Lagersteuerung für ein Fahrzeug bereitstellt
und gleichzeitig die negativen Auswirkungen des Momentumsteuersystems
minimiert. Das Momentumsteuersystem weist mehrere Schwungräder auf,
wobei jedes Schwungrad einen Rotor aufweist, der sich um eine Achse
dreht. Das Momentumsteuersystem variiert die Drehgeschwindigkeit
des Rotors, um dem Fahrzeug ein Drehmoment bereitzustellen, wodurch eine
Fluglage- oder Ausrichtungsver änderung
in dem Fahrzeug bewirkt wird.
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Mit
Bezug auf 1 ist eine schematische Ansicht
eines Momentumsteuersystems dargestellt. Das Momentumsteuersystem
weist mehrere Schwungräder
und ein Steuersystem auf. Das Steuersystem steuert die Drehgeschwindigkeit
und Drehrichtung der Schwungräder,
um dem Fahrzeug die gewünschten
Drehmomentmengen zu verleihen. Die mehreren Schwungräder weisen
mindestens ein Schwungrad mehr als die gesteuerten Freiheitsgrade auf.
Zum Beispiel werden in einem Fahrzeug, das zum Drehen in alle drei
Richtungen gestaltet ist, wie in einem Satelliten, mindestens vier
Schwungräder bereitgestellt.
Das zusätzliche
Schwungrad stellt einen zusätzlichen
Steuerparameter bereit, der benutzt werden kann, um die Kosten der
Leistungsfähigkeit des
Momentumsteuersystems zu minimieren. Die Kosten des Momentumsteuersystems,
die minimiert werden können,
weisen unter anderem die Auswirkungen von Schwingungen, Leistungsverbrauch
und unerwünschte
Veränderungen
der Drehrichtung auf.
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Gemäß den Ausführungsformen
der Erfindung steuert das Steuersystem die Drehgeschwindigkeit und
Drehrichtung des Schwungrades in einer Weise, welche die negativen
Auswirkungen der Räder
reduziert und dem Fahrzeug gleichzeitig das gewünschte Drehmoment bereitstellt.
Insbesondere macht sich das Steuersystem die Flexibilität der zusätzlichen
Steuerparameter zu Nutze, die von dem zusätzlichen Schwungrad bereitgestellt
werden, und benutzt und wählt
aktiv Drehfrequenzkombinationen aus, welche die erforderliche Lagersteuerung
bereitstellen und wenn möglich
gleichzeitig auch Drehfrequenzen vermeiden, die dem System übermäßige Kosten
verursachen.
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Wie
oben erwähnt,
umfassen die mehreren Schwungräder
mindestens ein Schwungrad mehr als für die gesteuerten Freiheitsgrade
notwenig ist. Zum Beispiel umfassen die mehreren Räder in einem
System mit nur einer Steuerrichtung mindestens zwei Räder, wobei
ein Rad die minimale Anzahl ist, die zum Ausführen einer Bewegung in die
Steuerrichtung benötigt
wird, und wobei mindestens ein zusätzliches Rad benutzt wird,
um die zusätzlichen
Steuerparameter bereitzustellen. In einem anderen Beispiel umfassen
die mehreren Schwungräder
in einem System mit drei Steuerrichtungen wie einem Satelliten, bei
dem die Schwungräder
zum Steuern der Fluglage benutzt werden, mindestens vier Räder. In
diesem Beispiel sind drei Räder
die minimale Anzahl, die zum Steuern der Fluglage des Satelliten
in alle drei Richtungen erforderlich ist, und das mindestens eine zusätzliche
Rad stellt die zusätzlichen
Steuerparameter bereit.
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Die
zusätzlichen
Schwungräder,
die in den Ausführungsformen
der Erfindung benutzt werden, können
Räder sein,
die für
diesen spezifischen Zweck hinzugefügt werden. Außerdem können das Steuersystem
und das Steuerverfahren mit Rädern umgesetzt
werden, die hauptsächlich
der Sicherung dienen und die primären Räder ergänzen.
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Die
Schwungräder
können
jede beliebige Schwungradausführungen
und -struktur umfassen. Beispiele geeigneter Schwungräder sind
das HR0610 und HR14, die von Honeywell International, Inc., erhältlich sind.
Andere Beispiele von Schwungradausführungen sind in US-Patentschrift Nr. 5,873,285
zu finden, die an Barnes erteilt und an Honeywell International,
Inc., übertragen
worden ist. Natürlich
kann jede beliebige andere geeignete Schwungradausführung und
-struktur, die benutzt werden kann, um einem Fahrzeug ein Drehmoment zu
verleihen, auch als eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umgesetzt werden.
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Mit
Bezug auf 2 ist ein Verfahren zur Momentumsteuerung
dargestellt. Das Verfahren 200 ver leiht ein Drehmoment
zum Steuern der Fluglage eines Fahrzeugs und minimiert gleichzeitig
negative Auswirkungen. In dem ersten Schritt 202 werden mehrere
Schwungräder
bereitgestellt, die mindestens ein Schwungrad mehr als die gesteuerten
Freiheitsgrade aufweisen. In dem Systembeispiel mit drei Freiheitsgraden
werden wieder mindestens vier Schwungräder bereitgestellt.
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Der
nächste
Schritt 204 dient der Bestimmung problematischer Frequenzbänder. Diese
problematischen Frequenzbänder
umfassen die Bänder, bei
denen die Richtung des Schwungrades auf das Fahrzeug eine negative
Wirkung ausübt.
Diese Frequenzbänder
werden in der Regel für
jedes einzelne Schwungrad bestimmt und in vielen Situationen weisen
unterschiedliche Schwungräder
unterschiedliche problematische Frequenzbänder auf. Außerdem können in
manchen Fällen
Frequenzkombinationen problematisch sein, auch wenn diese Frequenzen
für sich
nicht problematisch sind.
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Der
Schritt des Bestimmens problematischer Frequenzbänder kann die Erzeugung einer
Kostenfunktion umfassen, die viele verschiedene negative Auswirkungen
beschreibt und diese Auswirkungen gemäß ihrer relativen Priorität gewichtet.
In diesem Fall kann die Bestimmung problematischer Frequenzbänder ein
relativ komplexes Unternehmen sein, bei dem die Vielzahl möglicher
Auswirkungen bei jeder Frequenz berechnet und geordnet zu einer komplexen
Formel hinzugefügt
wird. In anderen Fällen
kann die Bestimmung problematischer Frequenzbänder relativ unkompliziert
sein, wie bei einer Analyse zur Bestimmung der Drehfrequenzen, die
wahrscheinlich in dem gesamten System unannehmbare Schwingungen
verursachen.
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Nachdem
die problematischen Frequenzen bestimmt worden sind, wird in dem
nächsten
Schritt 206 die Betriebsfrequenz der Schwungräder gesteuert,
um proble matische Frequenzbänder
zu vermeiden und gleichzeitig dem Fahrzeug das gewünschte Drehmoment
bereitzustellen. Dieser Schritt macht sich die Flexibilität der zusätzlichen
Steuerparameter zu Nutze, die von dem zusätzlichen Schwungrad bereitgestellt
werden. Das zusätzliche
Schwungrad ermöglicht
dem System, Drehfrequenzkombinationen zu benutzen und aktiv auszuwählen, die
dem Fahrzeug das gewünschte
Drehmoment bereitstellen und gleichzeitig die problematischen Frequenzbänder vermeiden,
die dem System übermäßige Kosten
auferlegen.
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Ein
Weg zum Beschreiben der zusätzlichen Steuerparameter,
die von den zusätzlichen Schwungrädern bereitgestellt
werden, ist das Konzept des Nullraums. Hier ist der Nullraum ein
mathematischer Unterraum, der zu dem dreidimensionalen Raum, dem
so genannten Bereichsraum, der für
die Drehmomentauslösung
wichtig ist, komplementär (oder
orthogonal) ist. Durch diese Definition tritt die Veränderung
der Radgeschwindigkeiten innerhalb des Bereichsraums in einer Weise
ein, welche die Drehmomentausgabe der Anordnung beeinflusst. In ähnlicher
Weise tritt die Veränderung
der Radgeschwindigkeit innerhalb des Nullraums in einer Weise ein,
welche die Drehmomentausgabe der Anordnung nicht beeinflusst. Als
Beispiel wird eine Anordnung in Betracht gezogen, welche aus nur
zwei koaxialen oder parallelen Rädern
besteht. Das Drehen nach oben eines der beiden Räder oder das Drehen beider Räder in die
gleiche Richtung repräsentiert
ein Drehmoment, das benutzt werden kann, um ein Fahrzeug zu drehen.
Jedoch lässt
das Drehen eines Rades nach oben mit einem bestimmten Drehmoment
und das Drehen des anderen nach unten mit dem gleichen Drehmoment
(jedoch in entgegengesetzte Richtungen) beide Drehmomente abbrechen;
das Ergebnis ist, dass die Summe des Drehmoments der Räder oder
das Anordnungsdrehmoment null ist. In diesem Beispiel besteht der
Bereichsraum aus Drehmomenten und Drehgeschwindigkeiten in die gleiche Richtung.
Der Nullraum besteht aus Drehmomenten und Drehgeschwindigkeiten,
die sich gegenseitig annullieren. Wenn die Anordnung einen Nullraum
aufweist, ist es folglich möglich,
ein gewünschtes
Anordnungsmomentum und Anordnungsdrehmoment mit vielen (vielleicht
unendlichen) Momentum- und Drehmomentskombinationen eines einzelnen
Rades zu erreichen. Das System und das Verfahren benutzen eine Verallgemeinerung
dieses einfachen Beispiels mit zwei Rädern und ermöglichen
einen beliebig großen
Nullraum, der mit einer beliebigen Anzahl zusätzlicher Räder in Verbindung steht. Zum
Beispiel gibt es eine Lösung
mit einer einzigen Minimalgeschwindigkeit, bei der keine Nullraumaktivität vorliegt.
Diese Lösung
wird gewöhnlich
angewendet. Die Benutzung dieser Erfindung würde zu höheren Geschwindigkeiten unter
allen Rädern
führen
als streng genommen notwendig ist, um die gewünschte Drehmoment- und Momentumausgabe
zu erreichen, jedoch ist die Kombination von Geschwindigkeiten insofern
optimal, als sie die Schwingung und/oder bestimmte andere Parameter
minimiert.
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Mit
Bezug auf 3 bis 10 ist
ein Beispiel zur Verwendungsweise des Momentumsteuersystems und
Verfahrens zusammen mit mehreren assoziierten Parametern dargestellt.
In dem Beispiel aus 3 bis 10 ist
das Verhalten eines Momentumsteuersystems für ein System mit drei Freiheitsgraden
und sieben Schwungrädern
dargestellt. In 3 bis 6 ist das
Verhalten des Momentumsteuersystems ohne die Anwendung der Erfindung dargestellt.
Insbesondere in 3 bis 6 ist ein System
dargestellt, in dem die zusätzlichen
Steuerparameter, die von den zusätzlichen
Schwungrädern bereitgestellt
werden, zum Minimieren der Kostenfunktion nicht benutzt werden.
In 7 bis 10 ist das Verhalten des gleichen
Systems dargestellt, wenn die zusätzlichen Steuerparameter zum
Reduzieren der Kosten des Systems benutzt werden.
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3 stellt
eine beispielhafte Anordnungsdrehmomentanforderung dar, die zum
Bereitstellen eines gewünschten
Drehmoments für
ein Fahrzeug erforderlich ist. Das erforderliche Anordnungsmomentum
ist für
jede der drei Dimensionen dargestellt, wobei jede Linie eine andere
Dimension repräsentiert.
Das erforderliche Anordnungsmomentum ist als eine Funktion von Zeit
dargestellt, die ein Beispiel zeigt, bei dem sich das von den Schwungrädern erforderte
Momentum über
die Zeit verändert.
Mit Bezug auf 4 ist die Nullraumaktivität während dieses
Beispiels dargestellt. Wieder umfasst die Nullraumaktivität die Bewegung
innerhalb eines veränderlichen
Raums, der von den zusätzlichen
Steuerparametern bereitgestellt wird, die von den zusätzlichen
Schwungrädern
verfügbar
gemacht werden. In der derzeitigen standardgemäßen Praxis wird die Nullraumaktivität konstant
oder bei null gehalten.
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Mit
Bezug auf 5 ist ein Diagramm von Radgeschwindigkeiten
dargestellt, die zum Bereitstellen des gewünschten Drehmoments mit dem
konstant gehaltenen Nullraum benötigt
werden. In diesem Beispiel werden wieder sieben Schwungräder benutzt,
um das benötigte
Drehmoment bereitzustellen. 5 stellt
die Radgeschwindigkeit dar, die von jedem dieser sieben Schwungräder benötigt wird,
um das Anordnungsmomentum aus 3 mit dem
konstant gehaltenen Nullraum aus 4 zu erzeugen. Während sich
das erforderliche Anordnungsmomentum verändert, verändern sich die Radgeschwindigkeiten,
die zum Erzeugen des Momentums benutzt werden. Wie dargestellt verleiht
jedes der sieben Rädere
dem Fahrzeug einen Teil des erforderlichen Drehmoments.
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Mit
Bezug auf 6 ist ein Diagramm eines Beispiels
der Kostenfunktion bezüglich
der Zeit dargestellt. Die beispielhafte Kostenfunktion aus 6 soll
nur ein Beispiel dafür
sein, wie schlechte Kosten aus der Drehung der Schwungräder bei
bestimmten Frequenzen folgen können.
Die Kostenfunktion kann hier jede beliebige negative Auswirkung,
einschließlich Schwingungen,
verbrauchter Energie usw. sein. Da sich die Radgeschwindigkeiten
verändern,
um das erforderliche Drehmoment (5) bereitzustellen,
durchqueren sie unweigerlich problematische Frequenzbänder. Während die
Schwungräder
innerhalb dieser Bänder
arbeiten, nimmt die Kostenfunktion dramatisch zu. Dies repräsentiert
die negativen Auswirkungen, die aus dem Betrieb der Schwungräder bei
diesen Geschwindigkeiten entstehen.
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Mit
Bezug auf 7 bis 10 ist
das Verhalten des gleichen Systems dargestellt, wenn die Erfindung
derart umgesetzt wird, dass zusätzliche Parameter
zum Reduzieren der Kosten des Systems benutzt werden.
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7 stellt
wieder eine beispielhafte Anordnungsmomentumanforderung dar, die
benötigt
wird, um dem Fahrzeug ein gewünschtes
Drehmoment bereitzustellen. Zu Vergleichszwecken ist das erforderliche
Anordnungsmomentum mit demjenigen aus 3 identisch.
Mit Bezug auf 8 ist die Nullraumaktivität während dieses
Beispiels dargestellt. Gemäß den Ausführungsformen
der Erfindung bewegt sich das Steuersystem und- verfahren innerhalb des Nullraums,
um die negativen Auswirkungen der Räder zu verringern und dem Fahrzeug
gleichzeitig noch immer das benötigte
Drehmoment bereitzustellen. Statt die Parameter innerhalb des Nullraums konstant
zu halten, benutzen das System und das Verfahren die Flexibilität, die von
dem Nullraum bereitgestellt wird, um Drehfrequenzkombinationen aktiv
auszuwählen,
die von dem benötigten
Drehmoment bereitgestellt werden, und vermeiden wenn möglich auch
Drehfrequenzen, die dem System übermäßige Kosten
verursachen. In 8 ist dies veranschaulicht,
indem gezeigt wird, wie vier zusätzliche
Freiheitsgrade innerhalb des Nullraums manipuliert werden, um problematische
Frequenzbänder zu
vermeiden.
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Mit
Bezug auf 9 ist ein Diagramm von Radgeschwindigkeiten
dargestellt, die zum Bereitstellen des gewünschten Drehmoments mit dem
manipulierten Nullraum benötigt
werden. In diesem Beispiel werden wieder sieben Schwungräder benutzt, um
das benötigte
Drehmoment bereitzustellen. 9 stellt
die Radgeschwindigkeit dar, die von jedem dieser sieben Schwungräder benötigt wird,
um das Anordnungsmomentum aus 7 zu erzeugen, wobei
die Veränderungen
in dem Nullraum wie in 8 dargestellt eintreten. Während sich
das erforderliche Anordnungsmomentum verändert, verändern sich die Radgeschwindigkeiten,
die zum Erzeugen der Momentumveränderungen
benutzt werden. Wie in 9 dargestellt, verleiht jedes
der sieben Schwungräder
dem Fahrzeug einen Teil des erforderlichen Drehmoments. Die zusätzlichen
Variationen in den Radgeschwindigkeiten, die in 9 dargestellt
sind (im Vergleich zu den Radgeschwindigkeiten, die in 5 dargestellt
sind) treten ein, wenn das System die zusätzlichen Komponentenparameter
benutzt, die von den zusätzlichen
Schwungrädern bereitgestellt
werden, um Veränderungen
in dem Nullraum auszuführen
und problematische Frequenzbänder
zu vermeiden.
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Mit
Bezug auf 10 ist wieder ein Diagramm der
Beispielkostenfunktion bezüglich
der Zeit dargestellt. 10 stellt das Ergebnis der Systembenutzung
der zusätzlichen
Steuerparameter dar, um problematische Frequenzbänder zu vermeiden und die Kosten
des Momentumsystems zu reduzieren. Es wird darauf hingewiesen, dass,
wenngleich die Kostenfunktion auf hohe Pegel ansteigt, sie schnell
abfällt,
wenn das System die Schwungräder
aktiv aus den problematischen Frequenzbändern bewegt. Folglich ist
das System dazu fähig,
wo immer dies möglich
ist, die negativen Auswirkungen zu verringern, für welche die Kostenfunktion
steht.
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Es
gibt viele unterschiedliche Art und Weisen, auf welche das System
und Verfahren umgesetzt werden kann, um die Kosten der Schwungräder zu reduzieren.
In der Regel hängt
die spezifische Umsetzung von der Anwendung ab, für welche
sie bereitgestellt wird, da unterschiedliche Anordnungen unterschiedliche
Betriebsanforderungen aufweisen. Im Allgemeinen ist es wünschenswert,
eine Kostenfunktion zu schaffen, welche die negativen Auswirkungen,
die mit den Drehfrequenzbändern
in Verbindung stehen, genau abwägt.
Zum Beispiel kann sich die Kostenfunktion ausschließlich auf
frequenzabhängige
Schwingungen in Anwendungen richten, bei denen Schwingungen den
Hauptzweck des Fahrzeugs stören.
In anderen Anwendungen kann die Kostenfunktion auch Aspekte wie
den Energieverbrauch und die Vermeidung von Bedingungen geringer
Geschwindigkeit oder Nullgeschwindigkeit in Betracht ziehen. Das
Gewichten dieser verschiedenen Faktoren hängt im Allgemeinen von ihrer
jeweiligen Bedeutung in dem System ab.
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Es
gibt auch viele verschiedene Verfahren, die zum Auswerten der Kostenfunktion
und zum Auswählen
von Betriebsfrequenzen, welche die Kostenfunktion reduzieren, benutzt
werden können.
Zum Beispiel kann das System gestaltet sein, um den Systembetrieb
bei Frequenzen zu halten, welche die Kostenfunktion unter einem
bestimmten Wert halten, und um von Frequenzen so schnell wie möglich Abstand
zu nehmen, welche bewirken, dass die Kostenfunktion über diesen
Wert steigt.
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Es
gibt mehrere unterschiedliche Art und Weisen, auf welche das System
ausgeführt
werden kann, um auf eine Kostenfunktion zu reagieren, welche einen
gewünschten
Wert überschreitet.
Zum Beispiel kann das System ausgeführt sein, um die nächste verfügbare Frequenzkombination,
welche die Kostenfunktion reduziert, unter den gewünschten Wert
zu bewegen. Ein anderer Ansatz wäre,
aktiv Frequenzkombinationen herauszusuchen, welche die Kostenfunktion
minimieren. Diese Ansätze
können
weiter verfeinert werden, indem die Leistung, Geschwindigkeit und
Energieabzug in Betracht gezogen werden, die aus den Drehfrequenzver änderungen
entstehen. Schließlich
kann das System ausgeführt
sein, so dass zukünftige
Drehmomentsanforderungen bei der Auswahl von Drehfrequenzen berücksichtigt
werden. In diesem Beispiel kann das System zeitweise höhere Kosten
akzeptieren, wenn eine Analyse bestimmt, dass zukünftige Kosten
durch einen Übergang
in dieser Weise reduziert werden.
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Neben
dem aktiven Bewegen des Systems zu Drehfrequenzen, welche die Kosten
unter einen bestimmten Wert bringen, kann das System auch gestaltet
sein, um sich innerhalb des Nullraums zu bewegen, selbst wenn sich
die Kostenfunktion bei akzeptablen Pegeln befindet. Wieder kann
dies die Form des aktiven Suchens nach lokal bevorzugten Minima
in der Kostenfunktion unter gleichzeitiger Berücksichtigung von Energie-,
Geschwindigkeits- und Energieaspekten annehmen. Das System kann
auch ausgeführt
sein, um nach nichtlokalen Minima zu suchen, wobei die Verringerung
der Kosten sämtliche Nachteile
bezüglich
dieser Frequenzveränderungen überwiegt.
Wieder kann das System zeitweise höhere Kosten akzeptieren, wenn
eine Analyse bestimmt, dass zukünftige
Kosten durch diesen Übergang
reduziert werden.
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Die
bevorzugten Analysetechniken, die zum Auswerten der Kostenfunktion
und zum Auswählen der
Betriebsfrequenzen benutzt werden, hängen von der Anzahl verfügbarer zusätzlicher
Steuerparameter ab. Zum Beispiel wären die Optionen in einem System
mit nur einem zusätzlichen
Schwungrad relativ beschränkt
und eine relativ simple Analyse ausreichend. In einem mehrdimensionalen
Fall mit einer Vielzahl zusätzlicher
Schwungräder,
die eine Vielzahl zusätzlicher
Steuerparameter bereitstellen, enthält der Nullraum mehr als einen
Freiheitsgrad. Die Kostenfunktion könnte dann als eine positive
definite Funktion (zum Beispiel Quadratfunktion) in Messungen der
Mehrfachachsenleistung wie Komponenten einer vorhergesagten Schwingungsstörung bei Bezugspunkten
auf einer Raumfahrzeugsnutzlast umgesetzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt folglich ein Momentumsteuersystem und
-verfahren bereit, welches eine Lagersteuerung für ein Fahrzeug bereitstellt
und gleichzeitig die negativen Auswirkungen des Momentumsteuersystems
minimiert. Das Momentumsteuersystem und- verfahren weist mindestens ein Schwungrad
mehr als gesteuerte Freiheitsgrade auf. Zum Beispiel werden in einem
Fahrzeug, das zum Drehen in alle drei Richtungen gestaltet ist, mindestens
vier Schwungräder
bereitgestellt. Das zusätzliche
Schwungrad stellt einen zusätzlichen Steuerparameter
bereit, der zum Minimieren der Kosten der Leistungsfähigkeit
des Momentumsteuersystems benutzt werden kann. Die Kosten des Momentumsteuersystems,
die minimiert werden können,
weisen unter anderem die Auswirkungen von Schwingungen, Leistungsverbrauch
und unerwünschten
Veränderungen
in der Drehrichtung auf.
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Das
Momentumsteuersystem und -verfahren minimiert die Kosten des Systems
durch Auswählen von
Drehfrequenzkombinationen für
die Schwungräder,
welche die negativen Auswirkungen der Räder verringern und dem Fahrzeug
gleichzeitig noch immer das gewünschte
Drehmoment bereitstellen. Anders gesagt benutzen das System und
Verfahren die Flexibilität,
die von dem zusätzlichen
Schwungrad bereitgestellt wird, und benutzen und wählen aktiv Drehfrequenzkombinationen
aus, die das gewünschte
Drehmoment bereitstellen und wenn möglich gleichzeitig Drehfrequenzen
verhindern, die dem System übermäßige Kosten
verursachen.
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Die
hierin dargelegten Ausführungsformen und
Beispiele wurden vorgestellt, um die vorliegende Erfindung und ihre
besondere Anwendung bestmöglich
zu erläutern
und dadurch den Fachmann zu befähigen,
die Erfindung herzustellen und zu benutzen. Jedoch wird der Fachmann
erkennen, dass die vorstehende Beschreibung und die Beispiele nur
zu Erläuterungszwecken
und beispielhaft vorgestellt worden ist. Die dargelegte Beschreibung
soll nicht erschöpfend
sein oder die Erfindung auf die offenbarte präzise Form einschränken. Viele
Modifikationen und Variationen sind angesichts der obigen Lehre
möglich,
ohne von dem Geist und den folgenden Ansprüchen abzuweichen.