Model Development and Adaptive Imbalance Vibration Control of Magnetic Suspended System

A system model is developed to describe the translational and rotational motion of an active-magnetic-bearing-suspended rigid rotor in a single-gimbal control moment gyro onboard a rigid satellite. This model strictly reflects the motion characteristics of the rotor by considering the dynamic and static imbalance as well as the coupling between the gimbal＇s and the rotor＇s motion on a satellite platform. Adaptive auto-centering control is carefully constructed for the rotor with unknown dynamic and static imbalance. The rotor makes its rotation about the principal axis of inertia through identifying the small rotational angles between the geometric axis and the principal axis as well as the displacements from the geometric center to the mass center so as to tune a stabilizing controller composed of a decentralized PD controller with cross-axis proportional gains and high- and low-pass filters. The main disturbance in the wheel spinning can thereby be completely removed and the vibration acting on the satellite attenuated.

MSCMG磁轴承μ综合控制方法与实验研究

针对磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制对象模型各通道的不一致性引起存在的参数摄动和未建模动态等问题,提出了一种基于结构奇异值μ分析的鲁棒控制器设计方法。该方法可直接将参数摄动和未建模动态引入到控制器的设计中,无需将其转化为一类更大范围的不确定性,避免了H∞方法的不必要保守性,还可对系统的鲁棒性能问题进行分析和综合。实验结果表明,与常规PID控制器相比,系统阶跃响应的位置超调量与稳定时间均有较大程度的改善,同时对系统参数的摄动也具有较强的鲁棒性,证明了μ综合法设计控制器的有效性。

基于逆系统方法的DGMSCMG框架伺服系统解耦控制研究

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double-gimbal magnetically suspended control moment gyroscope,DGMSCMG)的框架伺服系统是一个多变量、非线性且强耦合的复杂系统.为了进一步提高框架伺服系统的控制精度,本文提出了一种基于电流模式的动态逆系统解耦方法,通过对功放系统的动态补偿有效克服了未建模动态对解耦性能的影响,采用自适应滑模控制器有效提高了系统的跟踪特性.

基于反馈线性化的MSCMG转子稳定控制

磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)转子的稳定悬浮是实现陀螺高精度大力矩输出的关键。针对影响转子稳定悬浮的转子径向偏转耦合、非线性参数摄动、动框架效应问题,建立转子的动力学模型,提出了一种基于反馈线性化的增强型内模控制方法。利用反馈线性化方法实现径向偏转运动解耦以及转子动力学模型的线性化,设计增强型内模控制对转子系统的非线性参数摄动进行补偿并有效抑制动框架效应,提升了转子系统的稳定性。MATLAB仿真结果表明:所提出的控制方法实现了转子偏转的完全解耦,与PID控制相比,所提方法可以有效抑制参数摄动对转子径向平动的影响。对于转子径向偏转,与PID交叉控制相比,所提方法可以有效抑制框架扰动,提高系统控制精度。

基于自适应反步的DGMSCMG框架伺服系统控制方法

针对双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)内、外框架伺服系统耦合力矩及传动机构的非线性传动特性影响框架角速率精度的问题,提出一种基于自适应反步的非线性鲁棒控制器的设计方法。首先分别就双框架伺服系统耦合力矩及框架传动机构的非线性传动特性对系统稳定性和角速率精度的影响进行分析;其次利用反步理论,通过构造适当的Lyapunov函数并逐级反推得到控制律,保证参数估值的收敛性和系统的全局稳定性;最后通过仿真分析并以小型DGMSCMG系统为对象进行实验,结果表明:与电流前馈控制比较,所提出的自适应反步控制方法,既增强双框架伺服系统的扰动抑制能力,又提高框架角速率精度。

基于MSCMG大型遥感卫星高精度姿态控制方法

针对大力矩飞轮前馈和闭环反馈补偿复杂、对精度影响敏感性大的问题,提出了基于磁浮控制力矩陀螺闭环补偿的大型遥感卫星高精度姿态控制方法。该方法采用磁悬浮力矩陀螺为控制执行机构,通过变结构反馈补偿控制律设计,建立新的运动补偿控制系统,减小相机和卫星本体耦合效应。基于磁浮力矩陀螺力矩大、反向激励扰动小、精度高的特性,将其应用于对地遥感成像相机运动补偿控制系统中,仿真结果表明,与飞轮前馈补偿相比,姿态稳定度提高了一个数量级,有效提高空间大惯量卫星姿态控制的稳定度,提升相机对地成像质量;研究结果可为甚高精度卫星姿态控制与载荷运动补偿提供参考。

航天器机动时DGMSCMG磁悬浮转子干扰补偿控制

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)具有寿命长、综合效益好等突出优势,但航天器机动时,航天器及DGMSCMG内、外框架系统的转动均导致磁悬浮高速转子产生一定的耦合运动,影响磁悬浮转子系统的稳定性,同时使输出力矩精度下降,从而严重影响航天器姿态控制的精度。本文建立了基于DGMSCMG的航天器动力学模型,分析航天器、外框架、内框架、磁悬浮转子四者之间的动力学耦合关系。针对磁悬浮转子的非线性耦合干扰,提出一种基于复合控制的补偿方法,通过磁轴承产生相应的电磁力,对陀螺耦合力矩和惯性耦合力矩进行补偿控制。仿真结果表明,干扰补偿控制能有效抑制航天器及框架对磁悬浮转子的耦合干扰,也有效提高了磁悬浮转子系统的稳定性。

基于MSCMG的复合补偿控制提高图像配准方法

针对星上相机运动干扰影响遥感卫星图像配准精度控制难题,研究基于磁浮控制力矩陀螺(magnetically suspended control moment gyros, MSCMG)的复合补偿控制提高图像配准精度的方法。以基于MSCMG作为执行机构,采用姿态反馈补偿控制方法,避免复杂的控制系统前馈补偿及其自身干扰,姿态稳定精度达到5.8×10-5(°)/s。在此基础上,提出了MSCMG姿态补偿控制与相机运动补偿算法一体化的复合补偿控制方法。仿真结果表明:采用一体化复合补偿控制,跟踪相机步进角精度由补偿前的6 μrad提高到补偿后的0.36 μrad,提高了一个数量级以上;扫描角精度由补偿前的0.6 μrad提高到补偿后的0.45 μrad;显著提高了相机光轴指向的稳定性;研究结果可为甚高精度遥感卫星高精度图像配准设计提供参考。

基于ADRC的MSCMG框架系统高精度控制

针对非线性摩擦和外部随机扰动影响磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG,Mag-netically Suspended Control Moment Gyroscope)框架系统角速率精度的问题,提出了一种基于自抗扰控制器(ADRC,Active Disturbance Rejection Controller)的高精度转速控制方法.通过三阶扩张状态观测器将框架系统负载力矩、非线性摩擦力矩及外部随机扰动力矩作为"总扰动"进行估计,并对该扰动力矩进行补偿.仿真及实验结果表明:基于自抗扰控制器的框架系统控制方法使框架转速精度和稳定度提高了50%以上,且具有抗干扰能力强和动态特性好的特点.

MSCMG无刷直流电机改进的I/f无位置起动方法

针对磁悬浮控制力矩陀螺无刷直流电机电阻、电感值极小的特点和已有的无位置传感器I/f起动算法加速阶段换相精度不高且算法复杂的问题,通过分析电磁转矩和换相时刻的关系,提出了一种改进的I/f起动方法。该方法在电磁转矩恒定的情况下,结合电机模型,精确计算出电机换相的具体时刻。为保证电磁转矩恒定,确保换相时刻的准确性,采用神经网络法估计反电势系数,并设计了基于三相绕组不对称补偿的改进的电流环。仿真和实验结果表明:所提I/f起动方法换相精度较高,能实现电机可靠快速起动。

采用MSCMG群的卫星平台敏捷机动控制地面闭环试验验证

针对新型惯性执行机构磁悬浮控制力矩陀螺(Magnetically suspended control moment gyro,MSCMG),基于金字塔构型开展卫星平台敏捷机动控制地面闭环试验研究,以验证MSCMG的姿态控制性能。首先基于MSCMG搭建卫星平台控制地面试验系统,建立数学模型;接着针对气浮台外界扰动抑制及大角度敏捷机动控制问题,基于变参数滑模控制设计姿态控制算法,采用鲁棒伪逆方法进行MSCMG群框架角速度分配;并针对MSCMG的特性对框架角速度和角加速度进行了限幅,开展闭环控制试验研究。试验结果表明,采用MSCMG进行气浮台姿态稳定控制实验,可以实现姿态稳定度优于5×10^(-4)(°)/s,且在实现30°/15 s的机动指标时,MSCMG框架角速度具有良好的跟踪性能,且磁悬浮转子在输出大力矩时仍然保持稳定悬浮,具有较强的鲁棒性。通过地面闭环试验验证了MSCMG作为姿控执行机构的优异性能,为其未来进一步应用研究奠定基础。

基于MSCMG金字塔构型的航天器姿态测控一体化控制方法

提出一种基于磁悬浮控制力矩陀螺(magnetically suspended control moment gyroscope,MSCMG)金字塔构型的航天器姿态测控一体化控制方法,利用姿控回路中的执行机构,既进行航天器姿态测量,又进行航天器姿态控制,改变了传统姿控系统由姿态敏感器、控制器、执行机构的组成方式。首先建立磁悬浮转子径向力矩模型,通过实时检测磁悬浮控制力矩陀螺中的磁轴承电流、磁悬浮转子位移、框架角速度,联立金字塔构型中的3个径向力矩模型求解出航天器的姿态角速度,再设计相应的姿态控制律和框架操纵律,实现航天器的姿态调节,仿真结果证明了该方法的正确性和有效性。

双框架磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应补偿方法

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double gimbal magnetically suspended control moment gyroscope,DGMSCMG)是由磁悬浮高速转子系统与内框架、外框架速率伺服系统构成的航天器新型姿控执行机构。由于非线性及三个子系统间的强耦合,框架转动时磁悬浮转子位移急剧增大影响稳定性,同时框架系统的响应速度显著下降,称之为动框架效应。该效应严重影响了DGMSCMG的功能,必须加以抑制。建立DGMSCMG的动力学模型,分析三个子系统间的动力学耦合机理,提出一种基于复合控制的补偿方法,引入针对陀螺项的反馈和针对框架角速率给定的前馈消除磁悬浮转子附加位移,提高框架系统响应速度,并对补偿后系统做全局稳定性分析。仿真和试验结果表明,该方法能在保证系统稳定性的前提下有效抑制动框架效应,满足DGMSCMG的功能要求。

积分反馈自抗扰控制力矩陀螺框架伺服系统设计

设计了永磁同步电机直驱的控制力矩陀螺(CMG)框架伺服系统,并提出积分反馈自抗扰控制(ADRC)伺服跟踪算法用于实时跟踪CMG操纵律输出的框架角速度指令。首先,采用电机轴电流id=0的矢量控制策略建立了CMG框架伺服系统的数学模型;然后,分析摩擦力矩和齿槽力矩对CMG框架伺服系统性能的影响,并在Matlab中搭建速度环采用ADRC的框架伺服仿真系统;最后,对框架伺服系统的速度环分别采用模糊PI、ADRC、积分反馈ADRC算法进行实验。实验结果表明:采用积分反馈ADRC算法跟踪0.1～2.0rad/s时,稳态精度为0.005～0.012rad/s;跟踪0.0～0.1rad/s时,稳态精度为0.001～0.005rad/s,临界爬行速度为0.003rad/s;跟踪2sin(t)rad/s速度曲线时,幅值误差为0.55%,相位滞后0.09978rad。结果满足CMG框架伺服系统精度高、鲁棒性强的要求。

磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统扰动力矩分析与抑制

对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统,提出了一种基于自适应逆扰动消除控制的设计方法。该控制器采用将被控对象动态控制和对象扰动控制分离处理的方法研究了控制力矩陀螺框架伺服系统的非线性摩擦干扰力矩、陀螺房内部高速磁悬浮转子系统因框架变速转动对框架伺服系统产生的耦合力矩以及航天器姿态改变导致框架伺服系统本身的参数大范围变化等问题。设计的自适应逆扰动消除器大大改善了框架伺服系统的控制性能、提高了系统的速率输出精度。仿真结果表明,提出的扰动力矩抑制方法是可行的,具有很强的鲁棒性。

单框架磁悬浮控制力矩陀螺的损耗计算及热-结构耦合分析

为了明确由损耗导致航天器应用中的磁悬浮控制力矩陀螺温升问题,需要对损耗和温度分布进行分析计算。本文针对额定转速12 000 r/m,最大角动量200 N·m·s的单框架磁悬浮控制力矩陀螺,通过建立理论模型进行分析计算,得到了框架力矩电机、径向磁轴承、轴向磁轴承和转子高速电机的铁损以及铜损;对陀螺三维有限元模型进行了热场仿真分析,得到在各类损耗影响下的温度分布,并进行了热-结构耦合仿真分析。分析得到最大温度位于高速电机定子,最大温度是48.3℃;最后,进行了样机温升实验验证,检测温度最大值位于高速电机定子,最大值为51.8℃,与计算值误差为6.8%。通过温升检测实验验证了损耗计算和有限元热场分析。实验结论为整体结构优化提供了理论参考。

非理想梯形波反电势永磁无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法

为了提高磁悬浮控制力矩陀螺(magnetically suspended control moment gyro,MSCMG)框架伺服的精度与稳定度,针对永磁无刷直流力矩电机(permanent magnet brushless DC motor,PMBLDCM)非理想梯形波造成的换相转矩脉动,分析指出了换相反电势不平衡是造成转矩脉动产生的又一原因,且是影响低速力矩电机换相转矩脉动的主要因素。在单一直流母线电流反馈的基础上,提出了一种换相转矩自平衡控制方法,其中包括换相转矩平衡点观测器和角加速度的快速最优估计算法,有效的抑制了换相转矩脉动,提高了低速时的速率伺服精度与稳定度。

2-SGCMGs与磁力矩器的对地姿态混合控制方法

针对故障后仅剩两单框架控制力矩陀螺(SGCMG)可工作的对地定向三轴稳定卫星姿态控制问题进行了研究,提出了2-SGCMGs系统与磁力矩组合的混合控制策略及方法,以克服两SGCMG欠驱动控制的鲁棒性问题。首先,给出2-SGCMGs零动量方式的标称框架角构型选择计算过程。然后,结合标称框架角构型,构造了一种不同于沿传统体轴的新型控制标架,将三维控制力矩指令空间分解为由SGCMG与磁力矩器分别控制执行的两正交子空间,实现对力矩输出特性差异较大的该两类执行机构的控制解耦,进而对不同子空间控制指令给出2-SGCMGs系统框架角速度指令及含磁卸载在内的磁力矩器磁矩指令的求解算法。最后,针对存在外界扰动的卫星对象,由数学仿真验证了所提出策略及方法的有效性,实现了姿态误差小于0.05°且稳定度优于0.0005°/s的控制性能,可满足一般高分辨率对地遥感卫星控制需求。

磁悬浮控制力矩陀螺框架系统谐波减速器的迟滞建模

为了抑制双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架伺服系统中谐波减速器固有的迟滞特性对系统精度的影响,提出了一种基于Preisach模型的谐波减速器迟滞特性建模方法。首先,使用一阶回转曲线法采集谐波减速器的柔轮输出力矩与扭转角,获得建立谐波减速器迟滞模型的实验数据,其中谐波减速器柔轮的输出力矩是在不使用力矩传感器的条件下用系统动力学模型估计得到的;然后,使用Preisach模型对谐波减速器柔轮输出力矩与扭转角迟滞关系进行建模;最后,采用将模型离散化的数字型实现方法辨识模型中的权重函数,并给出模型的离散递归算法使模型利于简易化编程与进一步的在线控制。实验结果显示,谐波减速器的迟滞模型误差不超过0.005°,MSE值不超过(0.000 83%)°。结果显示了所述建模方法的正确性和实用性。

大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架优化设计方法研究

针对大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架,进行频率、重量和体积的设计优化。针对单框架磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统中的工程化问题,设计了三种方案:单体带式、两体球壳和三体球壳等框架;经过频率、质量和工艺性的综合分析,选用了两体球壳框架的方案。采用先延长再剪切的求交点方法,建立框架体参数化模型的封闭截面线;引入正交试验设计,分析几何参数对框架频率和重量的影响,取其中的主要影响因素为设计变量;以框架的频率为约束条件,以重量最小为目标进行设计优化。优化后质量较优化前减少了0.54kg,频率达到1000Hz以上,满足磁悬浮控制力矩陀螺系统的控制稳定性要求。最后,给出了产品实例和额定转速的磁轴承位移波形图。