[發(fā)明專利]一種雙框架磁懸浮控制力矩陀螺結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910243818.5
• 申請(qǐng)日: 2009-12-22
• 公開（公告）號(hào): CN101763038A
• 公開（公告）日: 2010-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 房建成;鄭世強(qiáng);王英廣;謝進(jìn)進(jìn);馬紀(jì)軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 成金玉;盧紀(jì)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種雙框架磁懸浮控制力矩陀螺(Control?Moment?Gyroscope-CMG)結(jié) 構(gòu)模態(tài)振動(dòng)控制方法，屬于航天控制技術(shù)領(lǐng)域，可用于雙框架磁懸浮CMG結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng) 的抑制。

背景技術(shù)

控制力矩陀螺(CMG)是大型航天器等重要的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)框架自由度 數(shù)，CMG分為單框架CMG和雙框架CMG，根據(jù)轉(zhuǎn)子的支承方式，可分為機(jī)械支承和磁懸 浮支承。由于雙框架CMG能有效降低姿態(tài)控制系統(tǒng)的體積、重量，提高系統(tǒng)的冗余度， 高速轉(zhuǎn)子與支承軸承又具有無接觸、無摩擦等優(yōu)勢(shì)，因此雙框架磁懸浮CMG成為大型航 天器實(shí)現(xiàn)高精度、長(zhǎng)壽命和快速機(jī)動(dòng)姿態(tài)控制的有效解決方案。

雙框架磁懸浮CMG由磁懸浮高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和框架伺服系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，二者均包 含各自的轉(zhuǎn)子組件和定子組件，高速轉(zhuǎn)子提供大小恒定的角動(dòng)量，框架強(qiáng)制高速轉(zhuǎn)子改 變角動(dòng)量方向輸出陀螺力矩，調(diào)節(jié)航天器的姿態(tài)。由于要考慮在空間中應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)所 占空間與系統(tǒng)重量有限制，其框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，各個(gè)系統(tǒng)組件存在復(fù)雜機(jī)械耦合，其 模態(tài)頻率就很可能接近轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速。在這種情況下，需要對(duì)框架結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng)的抑制 引起重視。

為了獲得良好的魯棒性，在控制器設(shè)計(jì)中必須考慮系統(tǒng)的不確定性，除結(jié)構(gòu)模態(tài)外， 還源于其它兩個(gè)方面：在系統(tǒng)建模過程中，由于各種簡(jiǎn)化假設(shè)以及磁軸承參數(shù)的不精確 導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)方程的參數(shù)存在誤差；轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)方程通常具有很高的維數(shù)，一般只能先 降階為維數(shù)較低的標(biāo)稱系統(tǒng)，再進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)存在未建模的高頻動(dòng)態(tài)。 現(xiàn)有的磁軸承控制方法，如PID、自適應(yīng)控制、非線性控制等，都未對(duì)以上所提及的參 數(shù)攝動(dòng)、結(jié)構(gòu)模態(tài)及未建模動(dòng)態(tài)進(jìn)行針對(duì)性的有效解決措施，無法滿足磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 的可靠性和精度要求。而H∞控制雖然考慮了系統(tǒng)存在的不確定性，但是由于在分析和 綜合中忽略了系統(tǒng)不確定性的結(jié)構(gòu)性，依此理論所設(shè)計(jì)控制器以犧牲磁懸浮系統(tǒng)的性能 為代價(jià)，具有較大的保守性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：為克服現(xiàn)有技術(shù)對(duì)解決雙框架磁懸浮CMG結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng)的 不足，提出了一種雙框架磁懸浮CMG結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng)控制方法，有效抑制復(fù)雜框架結(jié)構(gòu)而 引入的對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種雙框架磁懸浮控制力矩陀螺結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng)控制方法， 通過電路設(shè)計(jì)參數(shù)和電磁軸承設(shè)計(jì)參數(shù)，確定各個(gè)模塊的標(biāo)稱模型，利用頻域掃頻方法， 確定系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)、結(jié)構(gòu)模態(tài)及高頻未建模動(dòng)態(tài)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)控制性能評(píng)價(jià)，選 擇加權(quán)函數(shù)，對(duì)含以上不確定性系統(tǒng)進(jìn)行綜合，根據(jù)結(jié)構(gòu)奇異值理論，設(shè)計(jì)控制器。

具體包括以下步驟：

(a)建立功放電路模塊與電磁鐵轉(zhuǎn)子模塊的標(biāo)稱模型；

(b)利用PID方法對(duì)電磁鐵轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜態(tài)懸浮，在控制器的輸入端疊加正弦掃頻 激勵(lì)信號(hào)，分別將功放模塊和電磁鐵轉(zhuǎn)子模塊的兩端信號(hào)接入動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，進(jìn)行頻 域掃頻試驗(yàn)，獲得電磁鐵轉(zhuǎn)子振動(dòng)的頻域數(shù)據(jù)，確定功放模塊的參數(shù)攝動(dòng)和電磁鐵轉(zhuǎn)子 模塊的高頻未建模動(dòng)態(tài)和結(jié)構(gòu)模態(tài)：

(c)利用加權(quán)函數(shù)對(duì)控制性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，針對(duì)功放模塊輸出電流中的高頻噪聲， 采用高通加權(quán)函數(shù)進(jìn)行抑制；針對(duì)電磁鐵轉(zhuǎn)子易受外界環(huán)境低頻干擾，采用低通加權(quán)函 數(shù)對(duì)位移傳感器輸出進(jìn)行抑制；

(d)對(duì)功放模塊、電磁鐵轉(zhuǎn)子模塊和位移傳感器組成的被控對(duì)象進(jìn)行綜合分析， 根據(jù)結(jié)構(gòu)奇異值理論，對(duì)控制器進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)；若控制器不滿足魯棒穩(wěn)定性和魯棒性能 要求，則返回(c)。

本發(fā)明的原理是：在測(cè)定系統(tǒng)參數(shù)的攝動(dòng)、結(jié)構(gòu)模態(tài)以及電磁鐵轉(zhuǎn)子的高頻未建模 動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上，利用結(jié)構(gòu)奇異值μ綜合魯棒控制方法，對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng)進(jìn)行抑制。

針對(duì)參數(shù)攝動(dòng)，采用線性分式變換理論，實(shí)際功放增益與實(shí)際低通截止頻率可表 示為