[发明专利]一种抑制单框架磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种抑制单框架磁悬浮控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope-CMG) 动框架效应的方法，适用于单框架磁悬浮控CMG的高精度控制。

技术背景

CMG是空间站、大型卫星、敏捷机动卫星和空间机动平台等航天器姿态控制的关键 执行机构。CMG由恒速运转的转子和框架速率伺服系统组成，当框架转动时，强制转子 角动量发生改变，向外输出陀螺力矩。CMG输出力矩与其高速转子的角动量成正比。航 天器姿态执行机构要求具有寿命长、力矩大、精度高、体积小、功耗低的特点，磁悬浮 CMG正因具有这些优点而成为CMG的重要发展方向。

然而，与刚性机械支承不同的是，磁悬浮支承实际上是具备一定刚度和阻尼的主动 控制弹簧性支承，因此框架转动导致的转子牵连运动会干扰转子相对于陀螺房的运动， 同时，高速转子的陀螺效应又使受干扰转子的运动更加复杂，使转子轴心跳动加大，因 而存在碰撞保护轴承的可能，影响了磁悬浮系统的稳定性。上述框架转动将使高速磁悬 浮转子相对陀螺房定子的径向角位移显著增大的现象称之为动框架效应。转子相对角位 移过大不仅会碰撞保护轴承从而威胁磁悬浮系统的稳定性，而且影响角动量的方向精 度，同时转子相对角位移还对框架系统造成扰动，降低框架速率伺服和CMG力矩输出的 响应速度和精度，进而影响姿控系统的精度和稳定度，因而必须对动框架效应加以抑制。 针对动框架效应的抑制，现有的方法主要是采用角速率前馈控制。角速率前馈控制方法 把动框架效应简化为框架系统对转子系统的附加力矩扰动，通过框架角速率的前馈控制 实现对因框架速率变化而给转子系统带来的附加扰动力矩的抑制。但是，角速率前馈控 制方法忽略了框架系统自身的动态过程，而在实际系统中，框架系统的动态过程是客观 存在的，因此，该方法不能准确地补偿框架转动对转子系统的附加力矩扰动，从而不能 完全消除转子的动框架位移。同时，由于角速率前馈控制忽略了转子对框架系统的反作 用力矩扰动，把动框架扰动简化成了单向的运动约束和外部扰动，而在实际的系统中， 当动框架时转子对框架系统的反作用力矩将导致框架角速率的波动，从而不可避免地影 响单框架磁悬浮CMG输出力矩的精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服角速率前馈控制并不能完全抑制动框架效应对单框 架磁悬浮CMG稳定性及精度的影响的不足，提出了一种抑制单框架磁悬浮CMG动框架效 应的方法，在转子系统中通过对转子位移、转子偏转角速率和框架角速率的状态反馈消 除了磁悬浮转子的动框架位移，在框架系统中通过对框架角速率和转子偏转角速率的状 态反馈消除转子对框架系统的反作用力矩扰动。

本发明的技术解决方案是：根据牛顿第二定律和陀螺技术方程建立单框架磁悬浮 CMG的状态方程；利用逆系统方法求出系统的解析逆；在转子系统中通过对转子位移、 转子偏转角速率和框架角速率的状态反馈消除了磁悬浮转子的动框架位移，在框架系统 中通过对框架角速率和转子偏转角速率的状态反馈消除转子对框架系统的反作用力矩 扰动；采用鲁棒伺服控制策略提高整个系统的鲁棒性。具体包括以下步骤：

1、根据牛顿第二定律和陀螺技术方程建立当基座不动时磁悬浮CMG的状态方程为：

X·=f(X,U)Y=CX---(1)]]>

其中，