[发明专利]一种磁悬浮控制力矩陀螺框架系统高精度角速率控制方法

说明书

本发明提出了一种基于参数优化扩张状态观测器的磁悬浮控制力矩陀螺框架系统高精度角速率控制方法。首先建立磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统电压和转矩输出方程，基于该方程建立状态空间表达式，并转换为积分串联形式以设计扩张状态观测器，最终通过状态反馈消除集总干扰。通过分析观测器中的估计误差，建立了评估系统集总干扰和测量噪声影响程度的代价函数，以期最小化系统集总干扰和测量噪声的综合影响，进而设计了自适应的动态参数优化方法。本发明提出了扩张状态观测器的参数动态优化方法并提升了框架系统动态干扰抑制与抗噪性能，可用于实现磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的高精度角速率控制。

技术领域

本发明属于基于参数优化观测器的磁悬浮控制力矩陀螺框架系统高精度控制领域，具体涉及一种基于参数优化扩张状态观测器的磁悬浮控制力矩陀螺框架系统高精度角速率控制方法，用于提高框架系统的干扰抑制能力和抗噪能力，实现动态过程下的框架伺服系统高精度角速率跟踪控制，进而实现控制力矩陀螺高精度角速率输出。

背景技术

控制力矩陀螺(CMG)和惯性动量轮(IMW)是主要的惯性执行机构。其中，磁悬浮控制力矩陀螺具有输出扭矩大、动态性能好、控制精度高等优点，成为航天器姿态控制的首选执行机构。框架伺服系统是磁悬浮控制力矩陀螺的重要组成部分，其角位置和角速率的控制精度对输出力矩的精度有着严重的影响。

永磁同步电动机(PMSM)具有功率密度高、效率高、转矩大、噪声低、维护方便等优点，是框架伺服电动机的理想选择。然而，当永磁同步电机低速运行时，低频转矩脉动会产生严重的转速脉动。而且，框架伺服系统是一个超低速伺服系统，通常运行在0.01°/s的速度范围内，因此转矩脉动是影响框架伺服性能的主要因素之一。

永磁同步电机的周期性转矩脉动是由于电流中含有高次谐波。一般来说，减小转矩脉动的方法可分为两类。一种是电机本体的优化设计，但仅适用于新开发的电机，且优化设计复杂，成本较高。另一种是从电机控制策略入手，通过适当的控制方法改善电机的定子电流波形，以减小转矩脉动。然而，第二种方法的应用基础是必须事先知道电机的参数和电机转矩脉动的信息。但由于电机在运行过程中参数会发生变化，控制方法的精度不可避免地受到影响。

扩张状态观测器(ESO)作为一种有效的干扰估计技术，将集总干扰扩张为系统的新状态，可以有效地避免由电机参数和模型不准确而导致的干扰估计精度的降低；但传统的扩张状态观测器设计方法一般不考虑测量噪声的影响，而在实际系统中不可避免地会产生测量噪声；且扩张状态观测器参数配置方式多采用带宽配置法，参数配置较为简单，但该方法具有一定的缺点，例如电机运行过程中参数的变化会导致对集总干扰估计精度的降低，且没有充分考虑实际系统中测量噪声的影响等，这些都将会导致磁悬浮控制力矩陀螺的角速率输出精度降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有方法的不足，提出了一种基于参数优化扩张状态观测器的磁悬浮控制力矩陀螺框架系统高精度角速率控制方法，通过该方法对扩张状态观测器进行参数优化，取得了对系统状态更好的估计效果，提高了系统的干扰抑制和抗噪性能，大幅提升了控制力矩陀螺框架系统角速率输出精度。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种基于参数优化扩张状态观测器的磁悬浮控制力矩陀螺框架系统高精度角速率控制方法，其特征在于，首先建立磁悬浮控制力矩陀螺框架系统电压和转矩输出方程，基于该方程建立状态空间表达式，并转换为积分串联形式以设计扩张状态观测器，通过状态反馈消除集总干扰；通过分析扩张状态观测器中的估计误差，建立评估系统集总干扰和测量噪声影响程度的代价函数，以期最小化系统集总干扰和测量噪声的综合影响，进而设计自适应的动态参数优化方法。

所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：建立磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统电压和转矩输出方程，可写为：