[发明专利]一种控制力矩陀螺时延特性建模与补偿控制方法

说明书

本发明涉及一种控制力矩陀螺时延特性建模与补偿控制方法，适用于高分辨率对地观测等航天器具有敏捷机动与高稳定控制需求的领域。首先，建立了CMG框架角速度时延特性模型，并通过CMG不同框架角速度测试，辨识CMG的时延特性参数。在此基础上，设计了相应的时延特性补偿方法。闭环仿真结果表明：没有时延特性补偿，航天器姿态控制误差约在15″以内，角速度控制误差约在1.0×10^‑3(°/s)以内；有时延特补偿控制，航天器姿态控制误差约在2″以内，角速度控制误差约在0.3×10^‑3(°/s)以内。仿真结果验证了所设计的方法的正确性和先进性，提高了CMG框架角速度跟踪特性，从而提高了航天器姿态稳定度。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种控制力矩陀螺时延特性建模与补偿控制方法。

背景技术

目前，极高分辨率对地观测等航天器任务对航天器姿态敏捷机动与快速稳定性能指标提出了进一步要求。而航天器执行机构控制力矩陀螺的时延特性直接影响着航天器敏捷机动过程中的姿态控制误差以及敏捷机动后的快速稳定时间。执行机构时延特性参数的辨识与补偿能够进一步改善航天器敏捷机动过程中姿态控制误差，提高航天器姿态敏捷机动性能指标。

在现有航天器执行机构控制力矩陀螺的变时延特性直接影响着航天器姿态稳定度，进而影响光学载荷高品质成像性能。而目前的姿态控制方法无法有效的处理控制力矩陀螺的变时延特性，难以提高航天器姿态稳定度。目前的姿态控制方法中存在以下不足：

1、缺乏执行机构控制力矩陀螺的变时延特性模型

现有控制力矩陀螺模型中没有准确考虑时延特性或者没有对时延特性进行准确的建模。在航天器闭环控制器设计中就无法准确衡量控制力矩陀螺时延特性对整个闭环系统的姿态波动影响。而当控制力矩陀螺存在变时延特性时，系统的闭环控制器仍然无法准确补偿时延特性带来的姿态波动。因此，需要建立执行机构控制力矩陀螺的变时延特性模型，补偿执行机构时延特性对航天器姿态波动的影响，提高航天器姿态稳定度。

2、无法实现对执行机构控制力矩陀螺的时延参数的有效辨识

目前航天器的整个姿态闭环控制系统中缺乏考虑执行机构控制力矩陀螺的延时参数，无法准确辨识控制力矩陀螺的时延参数，从而无法准确补偿执行机构时延特性对整个闭环控制的影响，从而造成航天器姿态波动，无法进一步提高航天器姿态稳定度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种控制力矩陀螺时延特性建模与补偿控制方法，能够实现有效提高航天器姿态稳定度指标，为未来航天器光学载荷超高稳定度控制、高品质成像提供技术基础。

本发明的技术解决方案是：

一种控制力矩陀螺时延特性建模与补偿控制方法，包括如下步骤：

(1)建立单个执行机构CMG(控制力矩陀螺)的指令输入与实际输出的等效模型为：

式中，G_cmg(s)为变带宽、变增益的二阶传递函数，用于描述CMG低速框架控制的时延特性；为CMG的实际输出的框架角速度；为CMG的指令输入框架角速度；ζ_cmg为CMG的框架角速度阻尼系数；ω_cmg为CMG的框架角速度控制的带宽系数；k_cmgCMG的框架角速度增益系数；

采用反正切函数定义带宽系数ω_cmg和增益系数k_cmg系数，具体为