[發明專利]一種控制力矩陀螺框架系統魯棒復合控制方法

有效

• 申請號: 202011506805.5
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112650264B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 喬建忠;崔洋洋;郭雷;周常升;魏嫣然
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗;楊學明

本發明涉及一種控制力矩陀螺框架系統魯棒復合控制方法，針對控制力矩陀螺框架系統實際工作過程中面對轉子動不平衡引起的高頻干擾的影響而造成速度調節精度低的問題，提供該控制方法，首先，根據控制力矩陀螺框架系統轉速輸出與電流輸入之間的動力學關系建立框架系統標稱模型；其次，根據標稱模型選擇混合靈敏度加權函數并求解H_∞控制器保障框架系統動態性能與模型攝動抑制能力；再次，設計峰值濾波器抑制動不平衡引起的高頻干擾對速度調節精度的影響；然后設計干擾觀測器估計并補償摩擦力矩以增強框架系統的抗干擾能力；最后完成一種控制力矩陀螺框架系統魯棒復合控制方法的設計。本發明具有工程實用性強、結構靈活簡單、抗干擾性高等優點。

技術領域

本發明屬于伺服系統控制領域，具體涉及一種控制力矩陀螺(CMG，controlmoment gyroscope)框架系統魯棒復合控制方法。

背景技術

目前，航天器的主要執行機構包括噴氣推力器、飛輪和控制力矩陀螺，相比與動量輪，CMG的輸出力矩遠大于動量輪的輸出力矩(通常在數百倍以上)，具有較高的能效比；與噴氣推力器相比，CMG既能提供大的控制力矩，又能精確、連續地輸出力矩，且只消耗電能，是新一代快速機動、高精高穩航天器平臺的主要執行機構，目前已成功應用于大型航天器和敏捷衛星中，例如國際空間站、Skylab、天宮系列以及WorldView系列高分辨地球成像衛星等。

控制力矩陀螺陀螺轉子系統(高速旋轉的轉子、轉子支承系統、陀螺房、高速驅動電機)和框架伺服系統(框架體、電機、滑環、角位置傳感、支承系統)等組成，其工作原理是通過轉子系統內大慣量轉子的高速旋轉生成恒定的轉子角動量H，框架伺服系統轉子系統以角速度ω旋轉，利用陀螺效應從而產生一定的輸出力矩用于航天器的姿態控制，CMG對外輸出力矩T_CMG＝H×ω。因此CMG對外輸出力矩性能取決于框架伺服系統速度調節精度，為獲得高精度的輸出力矩，實現高精度的姿態控制，必須研究高性能框架伺服系統的控制方法。

然而由于轉子在生產制造和裝配過程中存在誤差，轉子的慣性主軸和旋轉軸不完全重合，轉子產生動不平衡，當轉子高速旋轉工作時，動不平衡會對框架軸產生軸向的周期性擾動力矩。轉子動不平衡引起的擾動力矩具有與轉子系統轉速同頻的特點，其頻率高達100赫茲以上，嚴重惡化框架系統速度調節精度。除此之外，轉子動不平衡引起的高頻干擾力矩會產生微振動傳遞到航天器本體，影響航天器的姿態控制精度，為了阻斷微振動向航天器的本體的傳遞，通常在航天器與CMG之間放置隔振平臺，例如Pleiades-HR地球觀測衛星使用了Stewart隔振平臺隔離CMG的高頻振動、Violet衛星對每個CMG均使用單一的隔振平臺以獲得高精度衛星姿態控制。隔振平臺的引入雖可有效降低高頻干擾直接對航天器姿態控制的影響，但會造成框架系統出現模型結構攝動問題，給框架系統速度調節控制帶來了嚴峻的挑戰，間接惡化航天器姿態控制精度。因此，抑制高頻干擾以實現高精度控制力矩陀螺框架系統速度調節是一項關鍵技術，對航天器高精度姿態控制具有重要意義。