專利名稱：一種航天器機(jī)動(dòng)時(shí)dgmscmg系統(tǒng)的力矩補(bǔ)償控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航天器機(jī)動(dòng)時(shí)雙框架磁懸浮控制力矩陀螺(Double gimbal magnetically suspended control moment gyroscope, DGMSCMG)系統(tǒng)的力矩補(bǔ)償控制方法，可以用于補(bǔ)償航天器機(jī)動(dòng)時(shí)DGMSCMG系統(tǒng)耦合干擾力矩的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)DGMSCMG系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制，進(jìn)而提高航天器姿態(tài)控制的穩(wěn)定性及精度。
背景技術(shù)：
控制力矩陀螺是空間站等高精度、長(zhǎng)壽命大型航天器的關(guān)鍵姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中框架自由度和高速轉(zhuǎn)子支承方式是決定控制力矩陀螺性能的兩個(gè)最重要因素。雙框架磁懸浮控制力矩陀螺由永磁偏置混合磁軸承支承的磁懸浮高速轉(zhuǎn)子和內(nèi)、外框架伺服系統(tǒng)組成。通過內(nèi)、外框架的轉(zhuǎn)動(dòng)，強(qiáng)制高速轉(zhuǎn)子角動(dòng)量方向發(fā)生改變，對(duì)外輸出陀螺力矩。雙框架磁懸浮控制力矩陀螺綜合了磁懸浮和雙框架兩方面優(yōu)點(diǎn)，不僅滿足高精度、長(zhǎng)壽命要求， 還可以減小姿控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和質(zhì)量，是航天器實(shí)現(xiàn)高精度和快速機(jī)動(dòng)的理想姿控執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于航天器及框架在進(jìn)行高動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)，航天器及框架運(yùn)動(dòng)引起的強(qiáng)耦合力矩作用在磁懸浮轉(zhuǎn)子上，導(dǎo)致磁懸浮高速轉(zhuǎn)子軸心跳動(dòng)加大，穩(wěn)定性顯著降低甚至失穩(wěn)；航天器姿態(tài)機(jī)動(dòng)及轉(zhuǎn)子的徑向運(yùn)動(dòng)又對(duì)框架運(yùn)動(dòng)構(gòu)成擾動(dòng)，降低框架的響應(yīng)速度，進(jìn)而影響 DGMSCMG的輸出力矩精度；同時(shí)框架運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)子的徑向運(yùn)動(dòng)較大時(shí)也會(huì)降低航天器姿態(tài)控制的精度。基于DGMSCMG的航天器姿態(tài)控制中，必須對(duì)其耦合干擾力矩加以補(bǔ)償和控制，以保障磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)提高內(nèi)外框架系統(tǒng)的響應(yīng)速度，進(jìn)而提高DGMSCMG的力矩輸出精度。航天器機(jī)動(dòng)時(shí)DGMSCMG系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)更加復(fù)雜，各單體間的耦合影響更加嚴(yán)重。 第一，航天器機(jī)動(dòng)時(shí)DGMSCMG系統(tǒng)中任一單體的動(dòng)力學(xué)方程中均包含其他單體相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的耦合干擾力矩項(xiàng)，同時(shí)此單體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也將引起其他單體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，各單體的動(dòng)力學(xué)間相互耦合；第二，由于DGMSCMG引入了有間隙的磁軸承支承，磁懸浮轉(zhuǎn)子增加了五自由度運(yùn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)不僅取決于軸承力，同時(shí)還受框架及航天器運(yùn)動(dòng)的影響；第三， 內(nèi)、外框之間存在陀螺效應(yīng)導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)耦合，即內(nèi)、外框互鎖現(xiàn)象，且這種動(dòng)力學(xué)耦合不僅取決于框架運(yùn)動(dòng)，還與航天器運(yùn)動(dòng)及磁懸浮轉(zhuǎn)子的徑向轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)；第四，航天器機(jī)動(dòng)時(shí)， DGMSCMG的陀螺耦合力矩與航天器角速度及內(nèi)框角位移的余弦成正比，為非線性系統(tǒng)，增加了控制難度。現(xiàn)有技術(shù)中，通過直接提高磁軸承控制中的閉環(huán)剛度可有效抑制耦合干擾力矩的影響，然而由于強(qiáng)耦合力矩對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子的擾動(dòng)較大，相應(yīng)要求磁軸承控制具有很高的閉環(huán)剛度，但磁軸承剛度過高容易導(dǎo)致磁懸浮轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定，因而不適用；另外現(xiàn)有技術(shù)中還采用一種復(fù)合控制方法抑制靜基座下DGMSCMG系統(tǒng)的動(dòng)框架效應(yīng)(參見“雙框架磁懸浮控制力矩陀螺動(dòng)框架效應(yīng)補(bǔ)償方法”，機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46 O) :159-165)，但沒有考慮航天器機(jī)動(dòng)時(shí)DGMSCMG系統(tǒng)耦合干擾力矩的補(bǔ)償，當(dāng)航天器快速機(jī)動(dòng)時(shí)對(duì)DGMSCMG系統(tǒng)的耦合干擾力矩較大，而復(fù)合控制的補(bǔ)償精度不夠，因而不能沿用；除此以外，機(jī)械支承的控制力矩陀螺不存在轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)與其他單體的耦合問題，因而現(xiàn)有技術(shù)不能提供可借鑒的補(bǔ)償方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決間題是克服現(xiàn)有方法直接提高磁軸承的閉環(huán)剛度抑制耦合干擾力矩和靜基座下對(duì)DGMSCMG動(dòng)框架效應(yīng)的復(fù)合補(bǔ)償控制的缺陷，提出一種航天器機(jī)動(dòng)時(shí) DGMSCMG系統(tǒng)的力矩補(bǔ)償控制方法，能有效抑制磁懸浮轉(zhuǎn)子位移加大，同時(shí)消除航天器及框架轉(zhuǎn)動(dòng)引起的磁懸浮轉(zhuǎn)子對(duì)它們的反作用，以及消除兩框間的運(yùn)動(dòng)學(xué)耦合，在保持磁懸浮高速轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的同時(shí)，提高了框架系統(tǒng)的響應(yīng)速度和航天器姿態(tài)控制的穩(wěn)定性和精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種航天器機(jī)動(dòng)時(shí)DGMSCMG系統(tǒng)的力矩補(bǔ)償控制方法，包括下列步驟(1)建立航天器機(jī)動(dòng)時(shí)DGMSCMG系統(tǒng)磁軸承χ方向、磁軸承y方向、內(nèi)框架軸和外
框架軸的動(dòng)力學(xué)模型分別為
權(quán)利要求
1.一種航天器機(jī)動(dòng)時(shí)DGMSCMG系統(tǒng)的力矩補(bǔ)償控制方法，其特征在于包括下列步驟(1)建立航天器機(jī)動(dòng)時(shí)DGMSCMG系統(tǒng)磁軸承X方向、磁軸承y方向、內(nèi)框架軸和外框架軸的動(dòng)力學(xué)模型分別為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器機(jī)動(dòng)時(shí)DGMSCMG系統(tǒng)的力矩補(bǔ)償控制方法，其特征在于所述步驟(3)利用DGMSCMG的控制系統(tǒng)補(bǔ)償DGMSCMG系統(tǒng)的耦合干擾力矩，得到磁軸承 χ方向、磁軸承y方向、內(nèi)框架和外框架各控制單元中的陀螺力矩補(bǔ)償量和慣性力矩補(bǔ)償量分別為
全文摘要
一種航天器機(jī)動(dòng)時(shí)雙框架磁懸浮控制力矩陀螺(Double gimbal magnetically suspended control moment gyroscope，DGMSCMG)系統(tǒng)的力矩補(bǔ)償控制方法，建立航天器機(jī)動(dòng)時(shí)的DGMSCMG系統(tǒng)的磁懸浮轉(zhuǎn)子、內(nèi)框架及外框架動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)一種力矩補(bǔ)償控制方法消除各單體動(dòng)力學(xué)模型中的耦合干擾力矩項(xiàng)，保障航天器機(jī)動(dòng)時(shí)DGMSCMG系統(tǒng)的耦合干擾力矩得以補(bǔ)償，并實(shí)現(xiàn)DGMSCMG系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制，提高航天器姿態(tài)控制的穩(wěn)定性及精度。本發(fā)明可有效消除航天器機(jī)動(dòng)時(shí)DGMSCMG系統(tǒng)的耦合干擾力矩，保障DGMSCMG系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)控制的穩(wěn)定性及精度。
文檔編號(hào)G05D1/08GK102323825SQ20111020034
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者崔培玲, 房建成, 李文琢, 李海濤, 楊倩, 魏彤 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)