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。     

磁悬浮控制力矩陀螺的动框架效应及其角速率前馈控制方法研究

在磁悬浮控制力矩陀螺中,局限于磁悬浮轴承系统的动态响应速度,框架的转动将使转子轴的角位移和轴心跳动量显著增大(动框架效应),甚至碰撞保护轴承,严重影响磁悬浮系统的稳定性。本文建立框架转动时的磁悬浮转子相对运动模型,分析了框架转动对磁悬浮转子的单方向作用,在Simulink仿真的基础上提出一种抑制动框架效应的角速率前馈控制方法。实验结果表明,磁悬浮轴承采用角速率前馈控制后,转子跳动量被抑制到原来的18％,大大提高了控制力矩陀螺磁悬浮系统的稳定性,同时还改善了控制力矩陀螺的力矩输出特性。     

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。     

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。     

采用变速控制力矩陀螺的一种姿态/能量一体化控制研究

本文研究采用变速控制力矩陀螺（VSCMG）的航天器姿态／能量一体化控制技术。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型，并给出了全局稳定的姿态反馈控制律。以控制力矩陀螺群的构型奇异量度为依据，分别考虑了VSCMG的控制力矩陀螺（CMG）工作模式和反作用飞轮（RW）工作模式。在陀螺群接近奇异时启用转子的反作用飞轮工作模式来补偿控制力矩陀螺采用鲁棒伪逆操纵律时所引起的力矩误差；在陀螺群远离奇异状态时，用控制力矩陀螺来补偿转子储能带来的干扰力矩。在姿态控制的同时利用转子的变速特性，完成按照给定的功率存储／释放能量，并在陀螺群远离奇异状态时对储能过程中转子的转速进行调节，以保持良好地动量包络外形。最后以某航天器的姿态控制为例，给出了数值仿真结果。     

基于自抗扰技术的挠性航天器高精度指向控制

针对存在外部干扰和模型不确定性的挠性航天器,提出了一类新颖的基于自抗扰技术的控制方案,实现无姿态角速度反馈的航天器对目标高精度姿态指向控制。对目标相对姿态指向控制系统进行建模,引入一光滑连续秦函数,构造三阶扩张观测器,观测系统姿态角速度和总扰动,并利用其实现动态补偿线性化及扰动抑制。针对单框架控制力矩陀螺群作为执行机构常存在的奇异,引入零空间空转指令设计了一类奇异避免操纵律。将控制系统方案用于某挠性航天器模型,仿真结果验证了方案的有效性、合理性。     

采用平行构型变速控制力矩陀螺群的航天器姿态控制

研究了平行构型变速控制力矩陀螺群的控制律及其在航天器姿态控制中的应用。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型，并给出了全局渐近稳定的姿态反馈控制律。将每一对框架平行的陀螺作为独立的单元控制，引入了与控制力矩陀螺的框架运动相关的动坐标系，在此基础上给出了控制力矩陀螺的一种控制律。此控制律使陀螺群在奇异状态下仍具有可控性，并且力矩误差在动坐标系的某一方向始终为零，从而利用共轴的构型特点和陀螺转子的可变速性补偿控制力矩陀螺的力矩误差，使变速控制力矩陀螺群的输出力矩与期望的力矩相等。最后以双平行构型为例，对航天器的姿态稳定控制进行了数值仿真，并给出了一种控制力矩的分配方案。仿真结果证明了控制律算法的有效性。     

MSCMG框架伺服系统非线性摩擦力矩建模与实验研究

在磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)中,由于陀螺耦合力矩的影响,使得陀螺框架系统的摩擦力矩随着陀螺输出力矩和框架角位置的不同而发生变化,为了实现控制力矩陀螺输出力矩的高精度控制,需要对摩擦力矩进行精确建模。对控制力矩陀螺框架系统进行了动力学研究,分析了摩擦力矩随陀螺输出力矩和框架角位置的变化机理和变化规律,并据此建立了磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的非线性摩擦力矩模型和非线性动力学模型。用实验数据对非线性动力学模型参数进行了最优最小二乘辨识,并用所得到的模型进行实际数据分析和仿真研究,仿真结果与实际实验数据非常吻合,验证了所建立模型的正确性和有效性。     

两平行构型双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺操纵律设计

设计了一种平行构型双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺(VSDGCMG)操纵律。建立了VSDGCMG动力学模型,提出奇异测度函数,由框架控制目标函数获得框架角速率指令,内转子控制目标函数获得内转子角加速度指令,设计了避开VSDGCMG奇异构型的操纵律。仿真结果验证了两VSDGCMS采用该操纵律能有效跟踪姿态控制指令力矩。     

大型三轴气浮台转动惯量和干扰力矩高精度联合辨识技术

利用三轴气浮台对遥感卫星进行载荷平台一体化全系统闭环物理仿真,可模拟卫星在轨运行时的动力学特性,验证整星在轨状态下的姿控特性和相机成像特性等。高精度辨识气浮台转动惯量和综合干扰力矩为三轴气浮台质量特性调整及量化评估整星级试验性能提供重要参数。文章提出一种新的大型三轴气浮台转动惯量和干扰力矩联合辨识技术,通过台上飞轮对三轴施加激励作用,利用激光陀螺等姿态测量数据实现对台体惯量矩阵和干扰力矩的高精度联合辨识。与传统辨识方法不同,该技术仅利用本体角速度信息,不需要角加速度信息,避免了角速度微分引起的噪声放大,将转动惯量辨识相对误差控制在3.5%以内,气浮系统综合干扰力矩优于0.003 N·m,满足了高精度参数辨识需求。     

磁悬浮飞轮与机械飞轮干扰特性的对比分析

针对飞轮在工作过程中对航天器姿态控制精度和稳定度所产生的不利影响,提出使用干扰模型来对比分析和研究磁悬浮飞轮与机械飞轮的干扰特性。通过建立飞轮系统的数学模型,得到机械飞轮与磁悬浮飞轮的平动及转动的干扰特性,比较和分析两种飞轮干扰特性的相同点和不同点,运用试验对分析结果进行验证。研究结果表明,高速转子的不平衡振动是产生飞轮干扰的主要原因,机械飞轮由于支承的固有特性使得干扰的频率成分相对比较复杂,采用磁轴承使得高速转子与支承之间具有一定的间隙存在,所以转子的陀螺效应表现得更为明显,当飞轮转速达到转子系统反向涡动频率时会产生较大干扰。     

磁悬浮动量轮的主动振动控制

由于同传统的滚珠轴承动量轮相比 ,磁悬浮动量轮的定子和转子之间没有接触 ,不需要润滑 ,允许高速旋转 ,而且磁悬浮动量轮可以提供框架控制能力 ,因而磁悬浮动量轮被认为是未来高精度航天器姿态控制的理想执行机构。然而尽管与传统动量轮产生干扰力矩的机理不同 ,磁悬动量轮本身还是存在一些振动源。如何消除这些振动源引起的扰动 ,即磁悬浮动量轮的主动振动控制 ,这是将磁悬浮动量轮应用于航天器姿态控制所要解决的主要问题。本文重点对自适应模型跟踪控制方法进行了介绍     

磁悬浮飞轮用新型异极性永磁偏置径向磁轴承

为满足应用于航天器姿控、储能的磁悬浮飞轮采用的扁平构型或高转速转子需求,提出了一种新型异极性永磁偏置径向磁轴承,具有轴向长度短、结构紧凑的优点,有利于扁平转子或高速转子的磁悬浮控制。在新型径向磁轴承磁路分析的基础上,通过应用于50 Nms反作用飞轮的设计实例,经仿真分析,校验了新型径向磁轴承的基本性能;并与传统同极性永磁偏置径向磁轴承进行了比较,验证了新型径向磁轴承的优点。     

磁悬浮框架飞轮磁轴承技术研究与发展现状

对磁悬浮框架飞轮(MSGFW)和高精度磁轴承研究现状及其未来发展进行了详细阐述。根据转子悬浮力类型，将磁悬浮框架飞轮分为磁阻力构型、洛伦兹力构型和混合力构型，并结合三种构型论述了国内外框架飞轮的发展过程。在此基础上，对球面磁阻力磁轴承和洛伦兹力磁轴承进行了详细介绍，并结合磁路图分析其工作原理，比较了同类磁轴承的优劣。展望了磁悬浮框架飞轮与高精度磁轴承的未来发展方向，指出高动态响应检控共位平动球面磁阻力磁轴承，标准磁悬浮动量球和磁悬浮控制敏感球是磁悬浮框架飞轮的研究重点。     

A new type of magnetic gimballed momentum wheel and its application to attitude control in space

A new type of magnetically suspended gimbal momentum wheel utilizing permanent magnets is described. The bearing was composed of four independent thrust actuators which control the rotor thrust position and gimbal angles cooperatively, so that the bearing comes to have a simple mechanism with high reliability and light weight. The high speed instability problem due to the internal damping was easily overcome by introducing anisotropic radial stiffness. A momentum flywheel with the 3-axis controlled magnetic bearing displays good performance for attitude control of satellite with biased momentum.     

航天器多约束姿态机动时-虚混合域规划方法

针对姿态指向受限以及角速度和控制力矩有界等复杂多约束下航天器低能量姿态机动规划问题,首先提出了时-虚混合域的概念,即时域和虚拟域同步存在并且同步求解虚拟域姿态路径以及时域角速度和控制力矩。进一步地,建立时-虚混合域上非线性约束问题模型。然后,提出了时-虚混合域单点式非线性姿态机动规划方法,通过非线性参数优化和单点式路径分解置换规划求解得到姿态机动轨迹以及角速度和控制力矩曲线。仿真结果表明,该方法可以高效地解决多约束姿态机动规划问题,有效地降低姿态机动过程中的能量消耗,得到连续光滑的姿态机动规划结果。     

Modes of uncontrolled rotational motion of the <Emphasis Type="Italic">Progress M-29M</Emphasis> spacecraft

We have reconstructed the uncontrolled rotational motion of the Progress M-29M transport cargo spacecraft in the single-axis solar orientation mode (the so-called sunward spin) and in the mode of the gravitational orientation of a rotating satellite. The modes were implemented on April 3–7, 2016 as a part of preparation for experiments with the DAKON convection sensor onboard the Progress spacecraft. The reconstruction was performed by integral statistical techniques using the measurements of the spacecraft’s angular velocity and electric current from its solar arrays. The measurement data obtained in a certain time interval have been jointly processed using the least-squares method by integrating the equations of the spacecraft’s motion relative to the center of mass. As a result of processing, the initial conditions of motion and parameters of the mathematical model have been estimated. The motion in the sunward spin mode is the rotation of the spacecraft with an angular velocity of 2.2 deg/s about the normal to the plane of solar arrays; the normal is oriented toward the Sun or forms a small angle with this direction. The duration of the mode is several orbit passes. The reconstruction has been performed over time intervals of up to 1 h. As a result, the actual rotational motion of the spacecraft relative to the Earth–Sun direction was obtained. In the gravitational orientation mode, the spacecraft was rotated about its longitudinal axis with an angular velocity of 0.1–0.2 deg/s; the longitudinal axis executed small oscillated relative to the local vertical. The reconstruction of motion relative to the orbital coordinate system was performed in time intervals of up to 7 h using only the angularvelocity measurements. The measurements of the electric current from solar arrays were used for verification.