[发明专利]一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法

说明书

本发明涉及一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法。该方法针对控制力矩陀螺框架伺服系统在低速率工作过程中面临的摩擦干扰以及转子不平衡振动引起的扰动力矩问题，首先，建立含有摩擦干扰以及转子不平衡振动干扰力矩的控制力矩陀螺框架伺服系统动力学模型；其次，利用矢量控制与PI控制方法对框架伺服系统电流环进行控制设计；再次，设计干扰观测器在框架伺服系统速度环对摩擦干扰以及转子不平衡振动引起的扰动力矩组成的等价干扰进行估计；最后，将干扰观测器对等价干扰估计值通过前馈通道予以抵消，设计复合控制器，构造出一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法。本发明具有工程实用性强、抗干扰性高等优点。

技术领域

本发明涉及一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法，利用干扰观测器对控制力矩陀螺框架伺服系统在低速率工作过程中受到摩擦干扰力矩以及转子不平衡振动引起扰动力矩进行估计与补偿，从而提高控制力矩陀螺框架系统抗干扰能力，实现控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制，提高控制力矩陀螺输出力矩精度及响应速度。

背景技术

在航天器三大类执行机构中，控制力矩陀螺具有输出力矩大、能效比高、动态性能好等优于与传统飞轮的优点；同时与喷气推力器相比，控制力矩陀螺既能提供大的控制力矩,又能精确、连续地输出力矩,并且不消耗燃料，因此对于大型长寿命航天器,控制力矩陀螺是理想的新一代姿态控制执行机构，目前我国已成功将控制力矩陀螺应用于天宫一号、天空二号、遥感十四号等航天器上。控制力矩陀螺由转子系统和框架系统组成，其中转子系统提供角动量，框架转动迫使角动量变化，由于陀螺效应，控制力矩陀螺对外输出力矩，这个力矩作用在航天器上就可以改变航天器的姿态。控制力矩陀螺输出力矩精度由其框架伺服系统的控制精度与转子系统提供的角动量精度决定，为了提高控制力矩陀螺输出力矩精度必须提高控制力矩陀螺框架系统速率输出精度。

然而，控制力矩陀螺框架伺服系统在低转速的高精度控制面临着巨大的挑战：首先，摩擦力矩是控制力矩陀螺框架伺服系统中一种复杂的、非线性的、具有不确定性的干扰力矩，易使伺服系统出现爬行、振荡和稳态误差，特别对框架伺服系统的低速性能产生非常严重影响；其次，在实际工作过程中转子的不平衡振动会引起框架系统的抖动或者振荡，对框架伺服系统的速度稳态精度、位置指向精度产生严重影响。因此控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法是一项关键技术，对使用控制力矩陀螺的航天器实现高精度姿态控制具有重要意义。

目前，针对控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制问题，国内外专家学者提出很多控制方法，其中PI控制方法因其设计简单，参数调节方便，在实际工程中得到了广泛应用。文献《控制力矩陀螺框架系统高精度复合控制研究》选取框架系统角速度环的传递函数的主导极点构建了前馈控制器并结合PI反馈控制，提高了框架系统的动态响应能力，但该文献未考虑干扰力矩对框架系统带来的影响。专利申请号201610206725.5中提出一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩框架控制系统及方法，但该专利单一考虑转子动不平衡扰动，未考虑摩擦力矩对框架伺服系统的影响。专利申请号201310303492中提出一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法，但该专利没有考虑框架伺服系统在低速率工作情况高精度控制问题且该专利采用的滑模控制器在滑动面附近具有抖动现象，控制器的不连续切换易引起系统高频震颤，难以满足控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制要求；综上所述，现有方法无法解决控制力矩陀螺框架伺服系统在低速率工作中面对的摩擦力矩以及转子不平衡振动引起扰动力矩的高精度控制问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对控制力矩陀螺框架伺服系统低速率工作过程中受到摩擦力矩以及转子不平衡振动引起的扰动力矩带来的影响，提出了一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法，解决控制力矩陀螺框架伺服系统在低速率工作过程中受干扰力矩导致控制精度低的问题，提高控制力矩陀螺输出力矩精度及响应速度，实现控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制，具有工程实用性强、抗干扰性高的优点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法，包括以下步骤：