[發(fā)明專利]一種控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速高精度控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810240786.2
• 申請日: 2018-03-22
• 公開（公告）號: CN108319148B
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 喬建忠;崔洋洋;郭雷;朱玉凱;張丹瑤
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: 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: 楊學(xué)明;鄧治平

本發(fā)明涉及一種控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速高精度控制方法。該方法針對控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)在低速率工作過程中面臨的摩擦干擾以及轉(zhuǎn)子不平衡振動引起的擾動力矩問題，首先，建立含有摩擦干擾以及轉(zhuǎn)子不平衡振動干擾力矩的控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)動力學(xué)模型；其次，利用矢量控制與PI控制方法對框架伺服系統(tǒng)電流環(huán)進行控制設(shè)計；再次，設(shè)計干擾觀測器在框架伺服系統(tǒng)速度環(huán)對摩擦干擾以及轉(zhuǎn)子不平衡振動引起的擾動力矩組成的等價干擾進行估計；最后，將干擾觀測器對等價干擾估計值通過前饋通道予以抵消，設(shè)計復(fù)合控制器，構(gòu)造出一種控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速高精度控制方法。本發(fā)明具有工程實用性強、抗干擾性高等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速高精度控制方法，利用干擾觀測器對控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)在低速率工作過程中受到摩擦干擾力矩以及轉(zhuǎn)子不平衡振動引起擾動力矩進行估計與補償，從而提高控制力矩陀螺框架系統(tǒng)抗干擾能力，實現(xiàn)控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速高精度控制，提高控制力矩陀螺輸出力矩精度及響應(yīng)速度。

背景技術(shù)

在航天器三大類執(zhí)行機構(gòu)中，控制力矩陀螺具有輸出力矩大、能效比高、動態(tài)性能好等優(yōu)于與傳統(tǒng)飛輪的優(yōu)點；同時與噴氣推力器相比，控制力矩陀螺既能提供大的控制力矩,又能精確、連續(xù)地輸出力矩,并且不消耗燃料，因此對于大型長壽命航天器,控制力矩陀螺是理想的新一代姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)，目前我國已成功將控制力矩陀螺應(yīng)用于天宮一號、天空二號、遙感十四號等航天器上。控制力矩陀螺由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和框架系統(tǒng)組成，其中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供角動量，框架轉(zhuǎn)動迫使角動量變化，由于陀螺效應(yīng)，控制力矩陀螺對外輸出力矩，這個力矩作用在航天器上就可以改變航天器的姿態(tài)?？刂屏赝勇葺敵隽鼐扔善淇蚣芩欧到y(tǒng)的控制精度與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供的角動量精度決定，為了提高控制力矩陀螺輸出力矩精度必須提高控制力矩陀螺框架系統(tǒng)速率輸出精度。

然而，控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速的高精度控制面臨著巨大的挑戰(zhàn)：首先，摩擦力矩是控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)中一種復(fù)雜的、非線性的、具有不確定性的干擾力矩，易使伺服系統(tǒng)出現(xiàn)爬行、振蕩和穩(wěn)態(tài)誤差，特別對框架伺服系統(tǒng)的低速性能產(chǎn)生非常嚴(yán)重影響；其次，在實際工作過程中轉(zhuǎn)子的不平衡振動會引起框架系統(tǒng)的抖動或者振蕩，對框架伺服系統(tǒng)的速度穩(wěn)態(tài)精度、位置指向精度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速高精度控制方法是一項關(guān)鍵技術(shù)，對使用控制力矩陀螺的航天器實現(xiàn)高精度姿態(tài)控制具有重要意義。

目前，針對控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速高精度控制問題，國內(nèi)外專家學(xué)者提出很多控制方法，其中PI控制方法因其設(shè)計簡單，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)《控制力矩陀螺框架系統(tǒng)高精度復(fù)合控制研究》選取框架系統(tǒng)角速度環(huán)的傳遞函數(shù)的主導(dǎo)極點構(gòu)建了前饋控制器并結(jié)合PI反饋控制，提高了框架系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力，但該文獻(xiàn)未考慮干擾力矩對框架系統(tǒng)帶來的影響。專利申請?zhí)?01610206725.5中提出一種抑制轉(zhuǎn)子動不平衡擾動的控制力矩框架控制系統(tǒng)及方法，但該專利單一考慮轉(zhuǎn)子動不平衡擾動，未考慮摩擦力矩對框架伺服系統(tǒng)的影響。專利申請?zhí)?01310303492中提出一種控制力矩陀螺框架擾動力矩抑制方法，但該專利沒有考慮框架伺服系統(tǒng)在低速率工作情況高精度控制問題且該專利采用的滑模控制器在滑動面附近具有抖動現(xiàn)象，控制器的不連續(xù)切換易引起系統(tǒng)高頻震顫，難以滿足控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速高精度控制要求；綜上所述，現(xiàn)有方法無法解決控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)在低速率工作中面對的摩擦力矩以及轉(zhuǎn)子不平衡振動引起擾動力矩的高精度控制問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)低速率工作過程中受到摩擦力矩以及轉(zhuǎn)子不平衡振動引起的擾動力矩帶來的影響，提出了一種控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速高精度控制方法，解決控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)在低速率工作過程中受干擾力矩導(dǎo)致控制精度低的問題，提高控制力矩陀螺輸出力矩精度及響應(yīng)速度，實現(xiàn)控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速高精度控制，具有工程實用性強、抗干擾性高的優(yōu)點。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速高精度控制方法，包括以下步驟：