SGCMG框架伺服系统动力学建模与低速控制

单框架控制力矩陀螺(SGCMG)框架伺服系统内部存在的各种干扰会严重影响陀螺的力矩输出精度。为了实现力矩输出的高精度控制,需要对框架伺服系统进行精确动力学建模与控制。通过对作用于航天器上SGCMG的详细动力学分析,建立了框架伺服系统动力学模型,其中考虑了动静不平衡干扰力矩以及摩擦力矩。基于正弦永磁同步电机,利用自抗扰理论设计了框架伺服系统内外环控制器。仿真结果表明,在忽略转子不平衡所引起的高频干扰力矩的前提下,此控制器能对内外环存在的所有建模及未建模干扰进行准确估计和补偿,保证了框架的高精度控制。通过仿真还得到了转子不平衡对框架控制精度的影响量级,将为进一步研究如何抑制不平衡振动提供参考依据。

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.

DGCMG框架伺服系统摩擦力矩建模及辨识

为了减小强陀螺效应条件下双框架控制力矩陀螺(double gimbal control moment gyroscope,简称DGCMG)框架伺服系统的非线性摩擦力矩对框架伺服系统控制精度的影响,提出了一种对DGCMG框架伺服系统非线性摩擦力矩精确建模和辨识的方法。分析了DGCMG框架伺服系统的动力学方程,在研究内、外框架摩擦力矩随内外框架角速度和陀螺力矩变化规律的基础上,建立了内、外框架摩擦力矩精确的数学模型,并用控制力矩陀螺的实际参数和实验采集数据对摩擦力矩模型参数进行了遗忘因子递推最小二乘法辨识。实验结果验证了所建模型的正确性和辨识结果的准确性,有助于补偿DGCMG框架伺服系统的非线性摩擦力矩,提高框架伺服系统的控制精度。

动基座下DGCMG框架伺服系统干扰补偿控制

针对双框架控制力矩陀螺(double gimbal control moment gyro,简称DGCMG)内外框架间的耦合力矩和航天器快速机动带来的牵连力矩引起框架角速率波动问题,建立了动基座下DGCMG框架伺服系统的动力学模型,提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer,简称ESO)的扰动力矩估计方法。对耦合力矩、牵连力矩等扰动力矩进行估计并采用力矩前馈的方式进行补偿,从而抑制扰动力矩对框架伺服系统控制精度的影响。仿真及实验结果表明,该控制方法能有效抑制由于扰动力矩引起的框架速率波动,提高了框架的速率输出精度。

一种基于DSP的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统

针对磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的高精度控制问题,提出了基于DSP2812的数字控制方案,设计了PID三环控制器,并采用速度前馈和加速度前馈控制,提高了系统的带宽。实验表明,该控制力矩陀螺框架系统达到了很高的控制精度和较快的响应速度。

基于参数自整定速度控制器SGCMG框架伺服控制系统

针对控制力矩陀螺框架伺服系统传统PI控制对干扰、负载变化等不确定因素的控制能力不足,设计了模糊PI控制器,利用参数自整定速度控制器实时调整参数,实现了框架伺服系统的高稳定性控制.仿真结果表明,相比传统的PI控制策略,响应快,超调小,无需修改参数,有更好的动静态特性,能更好地满足控制力矩陀螺框架伺服控制系统的鲁棒性要求,并有很好的跟踪性能.

一种CMG框架伺服系统的改进自抗扰控制策略

针对传统线性自抗扰控制器(LADRC)无法有效抑制控制力矩陀螺(CMG)框架伺服系统中存在的周期性高频扰动的问题,利用周期性高频扰动的先验信息对LADRC中的线性扩张状态观测器(LESO)进行了状态重构,通过带宽法整定了状态增益。仿真结果表明,经过改进的LADRC在抑制周期性扰动方面效果显著,基本消除了周期性高频扰动造成的CMG框架伺服电机转速波动,使系统跟踪性能进一步提升。

带有摩擦非线性的CMG框架伺服系统有限时间自适应鲁棒控制

针对控制力矩陀螺框架伺服系统中存在的摩擦非线性及不确定性等问题,提出一种基于终端滑模的有限时间自适应鲁棒控制律,确保闭环控制系统跟踪误差能够在有限时间内快速收敛到包含原点在内的任意小邻域内.通过对不确定参数的在线估计提高系统对参数变化的鲁棒性,并抑制外部干扰及摩擦非线性带来的不利影响.采用Lyapunov稳定性理论对闭环控制系统的稳定性进行分析并证明.通过对陀螺框架伺服控制系统进行仿真来验证所提出的控制律的有效性.

双框架MSCMG框架伺服系统的动力学解耦及扰动补偿

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)框架伺服系统是一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统,针对耦合力矩对框架系统速率伺服性能的影响,以及框架系统动力学解耦之后存在残余耦合、卫星运动引起的牵连力矩和非线性摩擦的问题,提出了微分几何法与扩张状态观测器(ESO)相结合的高精度控制方法,在线性化解耦的基础上对残余耦合、牵连力矩及非线性摩擦进行观测补偿以提高框架伺服系统解耦及速率跟踪性能。仿真结果表明、由耦合力矩引起的内、外框架速率波动最大值分别从0.18(°)/s和0.12(°)/s减小到5×10-3(°)/s和4×10-3(°)/s,内、外框架正弦角速度跟踪误差分别从0.18(°)/s和0.19(°)/s减小到0.005(°)/s和0.004(°)/s。所提出的方法实现了框架伺服系统的动力学解耦以及非线性摩擦和牵连力矩的补偿,提高了框架系统的解耦性能和速率伺服精度。

基于视觉测量技术的控制力矩陀螺框架伺服系统标定研究

控制力矩陀螺作为航天器姿态控制的一个重要部分,对其输出力矩的速度及精度要求越来越高。目前,对于高精度的框架控制性能进行标定和验证,大都是依靠控制力矩陀螺自身角度位置传感器进行评价,精度存在一定的误差。针对这种情况,设计了一种独立于控制力矩陀螺的视觉测量标定方式。在力矩陀螺上安装6个测量靶标,靶标在相机成像平面上呈现出由离散点组成的圆弧,对标志点中心进行定位,获得高精度像元提取精度,进一步处理得到二维像点坐标,拟合出圆心和半径;根据相片上像点位置及时间信息,计算得出控制力矩陀螺在不同时刻的角速度。采用快速傅里叶变换对角度信息进行处理,得到频率和相应的幅值,根据幅值计算框架绝对稳定度及相对稳定度,最后对框架角速度控制精度和角速度稳定度进行分析。试验表明,角速度绝对稳定度不低于0.02,相对稳定度不低于0.7%,且随着角度的增大稳定度逐渐提高;角位置测量精度经过实验验证可以达到1″,满足控制力矩陀螺高精度标定要求。

基于ESO的DGVSCMG双框架伺服系统不匹配扰动抑制

针对双框架变速率控制力矩陀螺(DGVSCMG)两种工作模式下内、外框架系统存在的不匹配干扰抑制问题,提出一种基于扩张状态观测器与状态反馈的扰动抑制方法。在对飞轮工作模式和陀螺工作模式下内、外框架系统的干扰进行建模和分析的基础上,针对其不匹配干扰设计了扩张状态观测器,通过坐标变换减小框架系统扰动对不匹配通道的影响,并结合状态反馈控制设计了复合控制器,同时对全局系统稳定性进行了分析。对框架系统进行的仿真结果验证了所提复合控制方法的有效性。实验结果表明,所提出的控制方法能有效减小耦合力矩对内外框架角速率带来的影响,在飞轮模式下使得内外框架的角速率跳动量分别降低了85%和78%,且在陀螺模式下使外框架角速率跳动量降低了75%。

谐波齿轮对大型SGCMG框架转速控制的影响分析

框架转速控制精度是影响大型单框架控制力矩陀螺(Single Gimbal Control Moment Gyroscope,SGCMG)输出力矩精度的重要因素。谐波齿轮是一种大传动比的减速装置,在大型SGCMG框架伺服系统中加装谐波齿轮提高框架电机的转速,有利于减小框架转速控制偏差。本文分析了大型SGCMG框架电机和谐波齿轮传动的特性,建立了带有谐波齿轮的大型SGCMG动力学模型。数值仿真结果表明加装谐波齿轮可明显改善大型SGCMG框架转速控制精度,特别是框架低速运行时的控制精度,提高大型SGCMG输出力矩精度;但加装谐波齿轮也给框架带来高频谐振。

基于H_∞混合灵敏度的CMG框架谐振抑制方法

针对由谐波减速器的柔性、低阻尼引起控制力矩陀螺(control moment gyro,简称CMG)框架伺服系统产生机械谐振的问题,提出了一种基于H∞混合灵敏度的振动抑制方法。结合框架伺服系统动力学模型阐明了系统产生谐振的原理,分析了系统的谐振频率点,并将由于谐波减速器引起的谐波扭转力矩作为系统输出端的扰动,在速度环中设计了基于混合灵敏度的H∞控制器来抑制该扰动,从而抑制框架伺服系统的谐振。以1 000N·m·s的控制力矩陀螺框架伺服系统为研究对象进行仿真及实验,结果表明,该控制方法有效地抑制了框架伺服系统的机械谐振,提高了框架伺服系统的速率输出精度。

双框架控制力矩陀螺框架系统的扰动观测及抑制

内外框架间的耦合力矩、非线性摩擦和未建模动态是影响双框架控制力矩陀螺框架系统高精度角速率伺服控制的主要因素。为提高框架系统的干扰抑制能力,保证框架系统输出角速率精度,本文提出了一种基于非线性级联扩张状态观测器和滑模控制的复合扰动抑制方法。框架系统中的所有干扰都被认为是集总干扰并由设计的NCESO估计,通过滑模控制可从系统输出通道中消除集总干扰的影响。最后,将本文提出的控制方法与线性级联扩张状态观测器和状态反馈结合的复合控制方法进行了对比仿真实验。仿真和实验结果表明,本文提出的方法具有更好的干扰抑制和动态响应性能,内框架角速度波动从0.5(°)/s减小到0.2(°)/s,外框架角速度波动从0.45(°)/s减小到0.15(°)/s;跟踪正弦参考信号时,速度跟踪误差从1.8(°)/s减小到1.2(°)/s,相位滞后从8°减小到1.3°。

基于干扰观测器的双框架变速率控制力矩陀螺解耦控制

双框架变速率控制力矩陀螺(Double-gimbaled variable-speed control moment gyroscope,DGVSCMG)是航天器重要姿态执行机构。它由内外框架速率伺服系统和转速可变的高速转子组成,有飞轮和控制力矩陀螺(Control moment gyroscope,CMG)两种工作模式。在两种工作模式下,框架伺服系统都会受到不匹配干扰,降低速率伺服性能,影响DGVSCMG的输出力矩精度,需要加以抑制。为了提高框架系统抗扰性能,并保证系统角速率伺服精度,提出一种基于干扰观测器(Disturbance observer,DO)与状态反馈的解耦控制方法。在对DGVSCMG框架系统的不匹配扰动建模与分析的基础上,利用鲁棒控制思想设计控制器与干扰观测器参数,并对全局系统进行了稳定性分析。仿真和试验结果表明,所提出的方法可有效抑制双框架伺服系统干扰,并满足DGVSCMG框架系统的性能要求。

控制力矩陀螺高精度框架控制技术

通过对单框架控制力矩陀螺(single gimbal control moment gyroscope,SGCMG)框架伺服系统的性能要求,归纳了影响框架转速性能的扰动因素,并分析了其对框架转速性能的影响;深入分析了轴承摩擦力矩、动量轮转子不平衡等主要扰动因素的影响,并用前馈补偿法降低摩擦力矩对系统响应时间的影响、用频域法分析了实际系统对转子不平衡量干扰的衰减程度,为转子动平衡设计提供理论依据。最后,对框架系统的相关性能指标进行了仿真验证,实现了控制力矩陀螺的高精度框架控制。

双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的扰动抑制

内外框架之间的耦合力矩和谐波减速器的非线性传输力矩是影响双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架系统精确角速度控制的主要因素,为了解决以上干扰问题,实现框架系统高精度角速率伺服控制提出了一种基于扰动观测器和自适应反步的框架系统复合解耦控制方法。通过扰动观测器来估计框架系统中的扰动,并结合自适应反步法获得控制律,其间将扰动估计误差当作未知参数设计了其自适应律,对扰动的两次处理使得框架系统干扰估计更加精确,同时可以保证估计参数的收敛性和整个框架系统的稳定性。仿真和实验结果表明,采用此复合控制方法,DGMSCMG框架系统扰动估计误差不超过框架系统实际扰动的3%,实际框架角速率跟踪参考指令角速率的精度达到99.2%。此复合解耦控制方法可以满足DGMSCMG框架系统抗干扰能力强、高精度角速率伺服控制的要求。

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。

航空遥感惯性稳定平台齿隙非线性建模与补偿

针对航空遥感惯性稳定平台框架伺服系统中齿隙非线性环节造成的系统驱动延时、换向跳变及冲击振荡等问题,对航空遥感惯性稳定平台齿隙非线性进行建模与补偿。在分析齿隙非线性环节结构和传动特点基础上,建立了齿隙非线性死区模型;利用MATLAB仿真分析了齿隙对系统性能的影响;以框架伺服系统为研究对象,应用反步积分法,通过依次选择Lyapunov函数,设计了基于状态反馈的控制器,并进行实验验证。结果表明:齿隙误差补偿可有效提高系统控制精度;与传统PID控制相比,反步积分法显著降低了齿隙非线性对伺服系统性能的影响,在给定框架期望转角情况下,反步积分法比PID控制响应速度提高78.26%、稳态精度提高23.1%。

基于鲁棒调节和目标值滤波的CMG群力矩控制

为实现控制力矩陀螺群高精度快响应力矩控制,提出了一种基于鲁棒调节和目标值滤波的控制方法。建立了采用永磁直流无刷力矩电机的框架伺服系统数学模型,根据被控对象的传递函数设计了鲁棒调节器,针对装置状态可观测的特点对鲁棒调节器进行了简化,提出了镇定补偿器和伺服补偿器的关键参数计算方法,实现了转速控制的渐近调节且确保了动态性能指标,并提出采用目标值滤波器进一步加强系统的动态跟踪性能;在此基础上,依托金字塔安装构型的控制力矩陀螺群实现了系统力矩快速精确输出。MATLAB仿真结果表明:所提出的控制算法对1N·m的力矩阶跃信号控制误差较传统比例-积分-微分算法降低了65.7%,响应时间减少了37.2%;对sin(20πt)N·m的正弦力矩跟踪时,可将力矩输出误差稳定在±2.1%之间。