[发明专利]一种控制力矩陀螺框架系统鲁棒复合控制方法

说明书

本发明涉及一种控制力矩陀螺框架系统鲁棒复合控制方法，针对控制力矩陀螺框架系统实际工作过程中面对转子动不平衡引起的高频干扰的影响而造成速度调节精度低的问题，提供该控制方法，首先，根据控制力矩陀螺框架系统转速输出与电流输入之间的动力学关系建立框架系统标称模型；其次，根据标称模型选择混合灵敏度加权函数并求解H_∞控制器保障框架系统动态性能与模型摄动抑制能力；再次，设计峰值滤波器抑制动不平衡引起的高频干扰对速度调节精度的影响；然后设计干扰观测器估计并补偿摩擦力矩以增强框架系统的抗干扰能力；最后完成一种控制力矩陀螺框架系统鲁棒复合控制方法的设计。本发明具有工程实用性强、结构灵活简单、抗干扰性高等优点。

技术领域

本发明属于伺服系统控制领域，具体涉及一种控制力矩陀螺(CMG，controlmoment gyroscope)框架系统鲁棒复合控制方法。

背景技术

目前，航天器的主要执行机构包括喷气推力器、飞轮和控制力矩陀螺，相比与动量轮，CMG的输出力矩远大于动量轮的输出力矩(通常在数百倍以上)，具有较高的能效比；与喷气推力器相比，CMG既能提供大的控制力矩，又能精确、连续地输出力矩，且只消耗电能，是新一代快速机动、高精高稳航天器平台的主要执行机构，目前已成功应用于大型航天器和敏捷卫星中，例如国际空间站、Skylab、天宫系列以及WorldView系列高分辨地球成像卫星等。

控制力矩陀螺陀螺转子系统(高速旋转的转子、转子支承系统、陀螺房、高速驱动电机)和框架伺服系统(框架体、电机、滑环、角位置传感、支承系统)等组成，其工作原理是通过转子系统内大惯量转子的高速旋转生成恒定的转子角动量H，框架伺服系统转子系统以角速度ω旋转，利用陀螺效应从而产生一定的输出力矩用于航天器的姿态控制，CMG对外输出力矩T_CMG＝H×ω。因此CMG对外输出力矩性能取决于框架伺服系统速度调节精度，为获得高精度的输出力矩，实现高精度的姿态控制，必须研究高性能框架伺服系统的控制方法。

然而由于转子在生产制造和装配过程中存在误差，转子的惯性主轴和旋转轴不完全重合，转子产生动不平衡，当转子高速旋转工作时，动不平衡会对框架轴产生轴向的周期性扰动力矩。转子动不平衡引起的扰动力矩具有与转子系统转速同频的特点，其频率高达100赫兹以上，严重恶化框架系统速度调节精度。除此之外，转子动不平衡引起的高频干扰力矩会产生微振动传递到航天器本体，影响航天器的姿态控制精度，为了阻断微振动向航天器的本体的传递，通常在航天器与CMG之间放置隔振平台，例如Pleiades-HR地球观测卫星使用了Stewart隔振平台隔离CMG的高频振动、Violet卫星对每个CMG均使用单一的隔振平台以获得高精度卫星姿态控制。隔振平台的引入虽可有效降低高频干扰直接对航天器姿态控制的影响，但会造成框架系统出现模型结构摄动问题，给框架系统速度调节控制带来了严峻的挑战，间接恶化航天器姿态控制精度。因此，抑制高频干扰以实现高精度控制力矩陀螺框架系统速度调节是一项关键技术，对航天器高精度姿态控制具有重要意义。