磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应的FXLMS自适应精确补偿控制方法仿真研究

在磁悬浮控制力矩陀螺（CMG）中，框架运动对磁悬浮转子支承系统的扰动可以采用角速率前馈加以补偿，但前馈系数固定时的补偿精度受磁轴承系统模型误差影响而显著下降。为了提高补偿精度，本文针对MIMO磁悬浮转子系统，提出一种基于FXLMS（filtered-X least mean square）算法的自适应前馈方法，采用梯度估计和最速下降策略推导前馈权值更新算法，并根据算法收敛性和收敛速度设计收敛因子和权初值。仿真结果表明，该方法收敛速度快，抗噪声能力强，相同模型误差情况下使转子的动框架位移降低到固定特性前馈时的20％，大幅度提高了动框架前馈补偿精度，有利于进一步提高磁悬浮CMG的力矩输出精度。     

空间旋转目标涡流消旋概念与仿真分析

针对消除空间旋转目标姿态旋转的问题,本文将第二代高温超导技术与涡流制动技术相结合,提出超导式涡流消旋的概念。然后,对涡流消旋的技术可行性进行了定性分析,通过对多种消旋技术手段的权衡比较归纳出涡流消旋的优势。接着,采用电磁张量理论,建立了电磁-涡流作用机理的精确磁场和涡流力矩模型;最后,考虑实际消旋的任务需求,对典型的高速旋转目标、低速旋转目标、以及复合旋转目标的消旋进行了动力学仿真研究。仿真结果表明,涡流消旋具有足够强大的制动能力,能有效消除目标的高速旋转或复合旋转运动。     

对接机构的涡流阻尼器阻尼力矩的有限元仿真和试验分析

涡流阻尼器可以很好吸收航天器交会对接时产生的碰撞能量,其阻尼力矩直接关系其对碰撞能量的吸收,但没有通用的阻尼力矩计算公式.通过对研发的对接机构用涡流阻尼器样机的有限元仿真和实验,分析其阻尼力矩.介绍了对接机构的涡流阻尼器样机的结构、2D和3D电磁场有限元仿真模型和阻尼力矩测试系统,分析了涡流阻尼器的磁极对数、转子材料导电率、转子长度、转子厚度、转子平均直径对阻尼力矩的影响,给出了阻尼力矩的计算公式.计算结果表明,对铝合金转子涡流阻尼器样机,阻尼力矩的计算值与实测值误差小,对铜合金转子涡流阻尼器样机,阻尼力矩的计算值与实测值误差较大.分析结果有助于对接机构用涡流阻尼器的研制.     

基于磁悬浮控制力矩陀螺的航天器姿态高精度高带宽测量方法

针对航天器姿态测量精度和带宽之间相互制约问题,提出一种基于磁悬浮陀螺的航天器姿态高精度、高带宽测量方法。根据刚体动力学和坐标变换原理建立磁悬浮转子径向转动合外力矩模型。在框架静止条件下,通过实时检测磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）中的磁轴承电流、磁悬浮转子位移,计算出磁悬浮转子径向转动所受合外力矩以及磁悬浮转子径向偏转信息,间接得到航天器运动对磁悬浮转子径向转动作用力矩,进而求出航天器单轴姿态角速度和姿态角加速度。不同带宽下的仿真结果表明,本测量方法能同时检测出航天器单方向的姿态角速度和角加速度,并且满足高精度高带宽要求。     

一种低干扰力矩的三自由度球面磁轴承

提出一种低干扰力矩的三自由度球面磁轴承结构,球面磁轴承定、转子均采用球面结构。当磁通作用在转子的球形包络面时,产生的电磁力会指向转子球心,不会对转子产生干扰力矩,但少量的漏磁磁通会作用在转子的非球形平面上,导致低干扰力矩的出现。利用等效磁路法对球形转子偏转时轴向部分漏磁导致的干扰力矩进行分析,得出干扰力矩的数学表达式。运用有限元法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转时的干扰力矩,结果表明干扰力矩随着转子偏转角度的增加而增大,当转子偏转角达到最大允许值0.3°时,球面磁轴承与柱面磁轴承相比干扰力矩减小两个数量级。球面磁轴承的低干扰力矩特性决定其特别适用于磁悬浮控制力矩陀螺,可提高陀螺的控制精度,在磁悬浮高能密度电机、其他飞轮系统等场合具有广阔的应用前景。     

MSCSG转子系统的扩展双频Bode图稳定性分析方法

为分析洛伦兹力磁轴承驱动磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）转子偏转过程中的稳定性,针对现有双频Bode图稳定性判据方法仅适用于最小相位系统的不足,提出一种基于扩展双频Bode图的稳定性分析方法。根据洛伦兹力磁轴承工作原理建立了MSCSG转子偏转系统动力学模型;通过变量重构,将实系数双输入双输出系统等效变换为复系数单输入单输出系统;在分析Nyquist曲线与Bode图关联性的基础上,提出针对非最小相位系统的扩展双频Bode图稳定性判据,对不同转速下MSCSG转子系统稳定性进行预测,并通过转速根轨迹曲线预测转子系统的转速稳定区间。所提出的扩展双频Bode图稳定判据结果与时域仿真校验结果相一致,验证了本文所提出的稳定性分析方法的正确性和有效性。     

控制力矩陀螺磁悬浮转子的指数趋近积分滑模控制研究

针对微重力、动框架等多源扰动下磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承转子系统的强非线性、参数摄动及未建模动态等问题,开展控制力矩陀螺的磁轴承转子鲁棒控制研究。建立了磁轴承转子轴向通道动力学模型与电磁力工作点线性化模型,分析了系统参数摄动及未建模动态,并在此基础上提出了一种非线性系统指数趋近积分滑模控制方法,设计了含有电流及位移的积分滑模平面,采用指数趋近律与饱和函数抑制抖振实现到达阶段滑模控制律。实验结果表明：采用该方法可有效抑制滑模的抖振现象,参数摄动时系统具有较佳动态性能,同时在转子转动、框架工作时保证系统良好鲁棒性。     

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 of a single-gimbal control moment gyro (SCMG) onboard a rigid satellite. This model closely 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 autocentering control is strictly constructed for the preceding rotor with unknown dynamic imbalance. The rotor achieves its rotation about the principal axis of inertia by identifying the little rotational angles from the geometric axis to the principal axis and then using the results to tune a stabilizing controller, which is composed of a decentralized PD controller with cross-axis proportional gains and high-pass and low-pass filters. The main disturbance in the wheel spinning can thereby be completely removed and the vibration acting on the satellite can be attenuated.     

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。     

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。     

气体静压向心轴承静态特性的理论分析

本文根据简化的二维流动模型,提出一种新的计算方法,用以计算小孔节流气体静压向心轴承的承载能力和刚度。该计算方法简单方便,理论计算结果与实验结果很接近,适合于工程上的实际应用。     

高超声速飞行器俯冲段制导与姿控系统设计

针对高超声速飞行器俯冲飞行段制导与姿态控制问题,建立基于飞行器加速度分量的三通道角速率解算模型,提出一种新颖的制导控制系统设计方法。建立高超声速飞行器俯冲段六自由度(6DOF)质心和绕质心动力学与运动模型,以目标-飞行器三维(3D)空间相对运动模型为基础,利用终端滑模控制方法和零化视线(LOS)角速率原理得到飞行器期望过载进而解算对应的俯仰、偏航和滚转角速率指令;姿控系统基于滑模控制理论完成该三通道角速率指令的跟踪并生成飞行器舵偏指令;该方法以解析模型替代传统姿控系统设计中欧拉角指令的跟踪回路,可有效降低制导与姿控系统阶数并减少控制系统设计参数,同时省略了根据气动系数反求欧拉角指令的过程;仿真结果显示,该方法能保证高超声速飞行器(GHV)精确命中地面固定目标,且俯冲飞行过程中各项状态变量均稳定可控。     

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。     

A feedback linearization control for the nonlinear 5-DOF flywheel suspended by the permanent magnet biased hybrid magnetic bearings

The dynamic model of the magnetic suspension flywheel (MSFW) whose rotor is suspended by the permanent magnet (PM) biased hybrid magnetic bearing is nonlinear, complicated and coupled because of the superposition and couple of the electromagnetic flux and PM flux. It is a challenge for the closed-loop controller design of the MSFW. In this paper, the MIMO nonlinear dynamic model of such MSFW has been obtained using the equivalent magnetic flux circuit calculation and integrating the rotor dynamics. A nonlinear Luenberger observer has been designed to estimate the state variables of the system, and then the dynamic model has been exact linearized to linear and decoupled one using the state feedback. At last, a linear controller has been designed based on the obtained exact linearization model. The better abilities of decoupling and disturbance depression of the proposed controller compared to the controllers designed based on the Taylor linearization model are verified by simulations and experiments.     

离心机气动产热及其影响因素的理论研究

为深入解析离心机气动产热的影响因素和变化规律，理论推导建立产热模型，并通过与文献中离心机的气动产热实验和仿真结果的对比，验证了理论模型的有效性。利用该模型对实际的离心机产热问题进行分析计算发现:在所研究的工况范围内，机室内空气的随流比随转子转速ω_r的增加而增加；产热总功率与转子转速呈指数上升关系，与机室压力呈正比例关系；机室侧壁的摩擦产热功率在离心机气动产热热源中的占比最大，且随着ω_r的增加而增加。建议将离心机的换热器布置在机室侧壁内表面并人为提高机室内空气的随流比，以利离心机散热控温。     

一种超薄反作用飞轮的大面积磁悬浮结构分析

为提高轴向磁通反作用飞轮的轴向刚度和寿命,结合轴向磁通飞轮的结构,提出一种超薄、大面积磁悬浮的反作用飞轮。重点分析该飞轮的大面积磁悬浮结构,从磁环的宽度、磁环的充磁方向、磁环间距、铁芯厚度和磁悬浮刚度五个方面展开研究。通过有限元仿真可以发现：随磁环宽度的增加,定子对转子的斥力是先增大后减小;定子内外环磁化方向相反时比相同时能得到更大的斥力;在内外环磁化方向相反时,内外环磁钢间距越小,定子对转子斥力越大;磁悬浮部分铁芯厚度的减小对定转子间的斥力的影响极其有限,但对降低飞轮重量具有重要意义;磁悬浮的刚度与转子偏离中心的距离近似成正比。     

小卫星姿控动量轮陶瓷球混合轴承性能分析与试验

小卫星的技术发展对星上姿控系统的主要部件一动量轮的主要技术指标提出了严格的要求。为了满足动量轮对轴承的使用要求，本研究开发了Si3N4陶瓷球混合轴承。基于滚动轴承分析理论和摩擦学知识，对其接触应力、旋滚比、轴向刚度、润滑、额定静载荷等指标进行了优化设计和分析。结果显示：与原全钢轴承比较，优化后混合轴承消除了原全钢轴承存在的控制类型“阶跃”问题，在精度寿命指标上具有明显的优势。摩擦力矩测量结果及分析表明该轴承的功耗指标优于原全钢轴承。力学模拟、温度循环试验后动量轮电机电流升高小于5％，表明该轴承具有良好的抗振动冲击能力和温度适应能力。在动量轮连续二年的运转试验中，电机的功耗始终较小而且稳定，进一步证明陶瓷球混合轴承具有良好的抗粘着磨损能力。     

飞轮振源特征参数提取方法及其分布特性

为了从飞轮微振动输出中提取飞轮转子的振源信息，提出利用鲁棒回归辨识飞轮在升速过程中各主要阶次的振幅对转速的二次幂系数，并将其作为飞轮的振源幅值特征参数；为探究参数的分布特性，利用Weibull分布拟合多个飞轮在同一阶次的特征参数，并计算出特定概率点的分位数。振源特征参数的分位数既系统地展示了飞轮振源分布情况，亦可作为振源分级判据。将该方法成功应用于50 Nms飞轮的振源特征参数分布研究中，为该型飞轮的超静性能筛选和设计改进提供了判定准则和参考依据。     

电磁涡旋波斜平面旋转目标运动参数估计方法

相较于传统平面电磁波,电磁涡旋波具有螺旋分布的波前相位、特殊的环形天线方向图、独特的涡旋方位维信息等特点。近几年来,得益于其特殊的物理特性,电磁涡旋波在目标运动参数估计领域受到了广泛的关注,其目标多普勒效应具有线性多普勒与旋转多普勒两维多普勒信息。现有参数估计方法实现了运动平面与涡旋天线口面平行时的目标旋转参数测量。然而,目标斜平面旋转下,现有方法将不再适用。基于电磁涡旋波所提供的目标旋转多普勒信息,提出一种斜平面旋转目标运动参数估计方法。该方法推导了一般形式下旋转目标的多普勒信号模型,通过分析斜平面下的多普勒信息特征,建立了目标运动参数表征式,给出了斜平面目标旋转参数的计算方法。最后通过仿真分析,验证了模型及参数计算方法的正确性及有效性。