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。      

磁悬浮转子状态反馈解耦自抗扰控制方法

针对磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）转子偏转通道强耦合及航天器姿态测量过程中受扰失稳问题,提出了一种磁悬浮转子偏转解耦抗干扰控制方法。分析了转子两自由度偏转耦合现象,设计了基于状态反馈的解耦控制器;建立了MSCSG在姿态测量过程中航天器的姿态运动对磁悬浮转子产生的干扰力矩模型,采用自抗扰控制器（ADRC）抑制磁悬浮转子的外部干扰;对所建立的扩展状态观测器（ESO）跟踪性和系统稳定性进行了分析,通过调节ADRC中非线性状态误差反馈控制律系数,实现了系统有界输入条件下的稳定。仿真结果表明:状态反馈解耦能够实现偏转自由度的完全解耦,ESO具有良好的跟踪性能,ADRC较传统PID控制方法具有更好的抗干扰性能。      

磁悬浮控制敏感陀螺角动量包络分析

针对磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）空间应用问题,研究其多自由度角动量包络模型。依据MSCSG的机械结构,分析磁悬浮转子径向万向偏转特性,明晰MSCSG轴向一个自由度转子转速变化飞轮力矩和径向两自由度转子万向偏转陀螺力矩输出机理。基于洛伦兹力磁轴承（LFMB）原理,分析径向偏转力矩与控制电流的线性关系,揭示MSCSG陀螺力矩高精度高带宽的优势。考虑转子径向偏角和轴向转速饱和问题,基于重构偏角和旋转矩阵构建MSCSG角动量包络模型。仿真分析了MSCSG径向偏转力矩高精度高带宽、轴向飞轮力矩高精度的特性。开展MSCSG偏转力矩高带宽性能测试,实验验证MSCSG能够输出大于100 Hz的径向偏转力矩。研究结果表明,MSCSG具有航天器高动态微振动抑制和高精度姿态控制的空间应用前景。      

小型磁悬浮CMG高速转子动框架效应前馈补偿与实验

磁悬浮控制力矩陀螺是航天器快速姿态控制与快速机动的新型空间执行机构。由于动框架效应,框架转动输出力矩反作用于飞轮转子,会导致磁轴承的径向载荷和控制电流发生改变。为抑制动框架效应对磁浮转子的影响,在分析力矩输出时高速磁浮转子受力特性的基础上,采用角速率前馈控制策略实现对动框架效应引发的力矩扰动的有效抑制,并在所研制的75Nms立式小型磁悬浮控制力矩陀螺上进行了整机输出特性测试。试验结果表明：该方法能在保证磁浮转子高速稳定的前提下有效抑制动框架效应,满足整机力矩输出的要求。     

零动量轮卫星姿态控制系统研究

针对零动量轮卫星控制系统解耦和进动抑制问题,提出了一种新的进动抑制方案。分析了仅靠飞轮控制的零动量轮卫星系统的稳定性。将偏置动量轮卫星的进动和章动抑制原理引入零动量控制系统,并针对零动量轮卫星自身特性,对磁控制规律进行改进,解决了不解耦情况下零动量轮卫星的进动抑制问题。仿真结果验证了所提方案的可行性和有效性。     

磁悬浮反作用飞轮磁轴承动反力分析及实验

针对磁悬浮反作用飞轮转子系统,提出了一种描述混合磁轴承动反力的新模型.基于拉格朗日原理,将飞轮转子两去重面内不平衡质量矩等效至两端径向磁轴承位置,并与转子惯性轴偏离几何轴引起的离心力共同作用,得到磁轴承动反力.仿真结果表明:转子两不平衡质量矩大小相等时,其振幅从相位差φa-φb=0时的30μm减小至φa-φb=π时的10μm(减小了2/3),从转速为1000 r/min时的5μm增加至5000 r/min时的10μm(增加了1倍).测试实验结果与仿真结果一致,为飞轮系统高精度高稳定度控制奠定了基础.     

基于复合控制的磁悬浮CMG动框架效应抑制

针对磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）动框架效应导致转子悬浮精度和稳定性降低的问题，提出一种角加速率自适应前馈控制与自抗扰控制（ADRC）相结合的复合控制方法。建立了MSCMG转子动力学模型，分析了框架转动情况下的磁轴承扰动力矩，设计了角加速率自适应算法和线性扩张状态观测器，并结合状态反馈控制设计了复合控制器，同时对磁轴承控制系统进行了稳定性分析，仿真结果验证了所提复合控制方法的有效性。利用研制的样机搭建实验平台进行验证，结果表明:所提方法与传统PID控制方法相比，磁悬浮转子收敛后的位移峰峰值降低了39.6%，提高了磁悬浮系统的抗干扰能力。      

基于干扰观测器的磁悬浮姿控飞轮电机控制

由于磁悬浮飞轮转子不平衡振动的存在,飞轮力矩/转速控制精度受到影响.为有效地对不平衡振动干扰进行估计,提出了一种针对时变谐波扰动的非线性干扰观测方法,观测器的动态与稳态性能可以根据系统要求设定,具有全局一致收敛性;在非线性干扰观测器的基础上设计变结构控制器对飞轮转速进行控制并对干扰进行补偿,通过改进变结构控制器的滑模函数与控制律系统抖振可以有效地削弱.仿真与实验结果表明:基于非线性干扰观测器的变结构控制器具有很好的扰动抑制能力和动态响应、稳态误差调节能力,可用于实现飞轮输出力矩控制.     

半球谐振陀螺的结构参数对工作模态以及进动系数的影响

为实现高性能的半球谐振子结构设计,文章针对半球谐振陀螺的结构参数对其工作模态频率、模态频率位阶以及进动系数的影响做了相关研究。在对陀螺进动系数计算理论研究基础上,对半球谐振陀螺的进动因子进行了有限元仿真计算;接着对具有不同结构参数的半球谐振子进行了模态仿真分析,发现在半球谐振子设计过程中,当球壳厚度和支撑柱半径之比小于1/3时,能够将陀螺的工作模态设置于最容易激发的第1和第2阶模态,大大提高了陀螺敏感特性。同时,能够极大拉开工作模态与干扰模态之间的频差,仿真结果最大拉开了2760.8Hz。最后,仿真结果表明半球谐振陀螺的进动系数受到结构变化而产生的波动非常小,进动系数的波动维持在0.27~0.28范围内。     

磁悬浮控制敏感陀螺转子前馈解耦内模控制

磁悬浮控制敏感陀螺以洛伦兹力磁轴承（LFMB）为力矩器驱动转子偏转。针对磁悬浮控制敏感陀螺转子径向转动自由度间存在耦合的问题以及转子偏转高精度快响应要求,提出一种前馈解耦内模控制方法。根据洛伦兹力磁轴承的工作原理建立了转子偏转动力学模型,并设计了前馈解耦矩阵实现转子径向偏转解耦,在此基础上,采用二自由度内模控制器（2-DOF IMC）对转子进行高精度快响应偏转控制。MATLAB仿真结果表明所提出的控制方法可有效实现对陀螺转子偏转的完全解耦,且转子偏转响应时间较交叉PID算法减少57.1%,受0.1sin（2πt）°正弦信号扰动影响产生的偏转波动幅值较交叉PID算法减少76%。      

Prospects of using a permanent magnetic end effector to despin and detumble an uncooperative target

Space debris, such as defunct satellites and upper stages of rockets, becomes an uncooperative target after losing its attitude control and communication ability. In addition, tumbling motion can occur due to environmental perturbations and residual angular momentum prior to the object’s end-of-mission. To minimize the collision risk during docking and capturing of the tumbling target, a non-contact method based on the eddy current effect is put forward to transmit the control torque to the tumbling target. The main idea is to induce a controllable torque on the conducting surface of the tumbling target using a rotational magnetic field generated by a Halbach rotor. The radial and axial Halbach rotors are used to damp the spinning and nutation motions of the target, respectively. The normal and tangential force are evaluated concerning the relative pose between the chaser and the target. A simplified dynamic model of the nutation damping and despinning processes is developed and the influences of the asymmetrical principal moments of inertia and transverse angular velocity are discussed. The numerical simulation results show that the designed Halbach rotor stabilized the target attitude within an acceptable time. The electromagnetic nutation damping and despinning method provides new solutions for the development of on-orbit capture technology.     

基于KF-LESO-PID洛伦兹惯性稳定平台控制

为克服现有惯性稳定平台使用机械轴承干扰量大, 使用气/液浮轴承难度高, 使用磁阻力磁轴承线性度差的缺点, 提出一种基于洛伦兹力偏转磁轴承的新型洛伦兹惯性稳定平台(LISP)。为克服耦合效应和承载摩擦谐振干扰对平台偏转通道高频姿态补偿控制的影响, 提出一种基于LESO-PID结合卡尔曼滤波(KF)反馈的数字控制方案。根据洛伦兹力磁轴承(LFMB)支承偏转系统结构特点, 建立了LISP转子偏转动力学模型;利用模型分析径向两自由度偏转特性, 提出在PID控制器的基础上, 引入线性扩张状态观测器(LESO)和卡尔曼滤波反馈以抑制摩擦谐振干扰及耦合效应;搭建了以DSP和FPGA为核心的数字控制系统, 并以离散形式将控制方法进行数字化实现。采用对数频率特性判据和Nichols曲线对所提控制方法的稳定性进行分析, 通过仿真比较引入LESO-KF前后转子偏转通道的稳定性。实验结果表明:PID控制条件下在高频时失真, 引入LESO-KF后明显降低噪声及干扰, 同时还可对系统内部状态参数进行实时观测。实验结果验证了所提控制方法对摩擦谐振干扰及耦合效应的抑制作用。      

挠性支承对飞轮隔振系统性能的影响分析

飞轮的高速转子在运转过程中会激发微幅多频振动,对航天器的高精度姿态稳定控制产生不利影响.本文基于飞轮隔振系统结构,建立其动力学模型,并通过实验验证该被动隔振装置的固有模态.对增加挠性支承的飞轮隔振系统的数学模型,通过仿真分析隔振装置在挠性支承条件下对飞轮扰动的抑制效果,实验测试了不同挠性支承条件对飞轮隔振系统微振动特性的影响.结果表明,隔振装置在悬臂挠性支承条件下依然具有优异的隔振性能,挠性支承刚度的适当减弱有利于飞轮隔振系统抑制扰动;挠性支承刚度会降低飞轮隔振系统的二阶结构固有振动频率,但基本不影响其涡动特性.     

具有初始热变形的转子系统振动响应分析

航空发动机热起动时的温度分布不均会使转子产生初始热变形,进而引起发动机振动过大,甚至导致起动失败。针对此问题,以航空发动机中的典型转子为对象,根据初始热变形对转子振动的影响建立相应的动力学方程,并通过模态坐标变换分析初始热变形对转子系统振动响应的影响。结果表明,初始热变形相当于对转子作用了附加激励,包括转轴初始弯曲激励、附加不平衡激励和附加陀螺力矩激励,上述激励均与转速同步。其中,附加不平衡激励和附加陀螺力矩激励大小与转速有关,对转子通过各阶临界转速的振动响应均有较大影响;转轴初始弯曲激励大小与转速无关,主要影响低阶临界转速的振动响应。      

磁悬浮反作用飞轮无刷直流电机转矩脉动抑制策略

无磁链反馈直接转矩控制（DTC）因转矩响应速度快,为小电感磁悬浮反作用飞轮（MSRF）无刷直流电机（BLDCM）的转矩脉动抑制提供了可能,但其bang-bang控制器使电机转矩脉动较大。为解决此问题,对影响转矩脉动的换相和非导通相续流过程进行了数学建模,并得出电机转矩与绕组电流的关系,提出一种基于转矩预测的转矩控制方法,能够有效减小转矩脉动,并证明了所提策略的稳定性和鲁棒性。在采用滑模观测器（SMO）进行反电动势估计时,提出一种新的带有参数的光滑连续函数替换符号函数,有效地抑制了滑模观测器的抖振现象。仿真和实验结果表明,所提出的基于改进滑模观测器和转矩预测的改进转矩控制方法相对于传统直接转矩控制能够更好地抑制转矩脉动,而且转矩响应速度基本不变。      

基于双磁钢转子的大力矩飞轮用电机设计

针对卫星快速敏捷和大角度机动的需求,设计了一种基于双磁钢转子的大力矩飞轮用永磁电机。介绍了大力矩飞轮用电机的工作原理和结构构成,给出了主要尺寸的设计准则,并在Maxwell 环境下对双磁钢转子的永磁直流电动机进行了有限元分析。