[发明专利]一种基于磁悬浮控制敏感陀螺的航天器姿态与振动一体化控制方法

说明书

本发明涉及一种基于磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)的航天器姿态和振动一体化控制方法。利用MSCSG构型中的陀螺框架旋转输出的陀螺力矩控制航天器姿态机动，同时利用磁悬浮转子偏转输出的微框架力矩抑制航天器微振动干扰；通过设计合理的带通滤波器实现姿控环与抑振环的有效分离；再利用航天器的姿控/抑振一体化控制器保证了姿控环/抑振环的双闭环控制系统的稳定；从系统级实现了航天器的姿控与抑振一体化。本发明属于磁悬浮陀螺控制技术领域，可应用于使用MSCSG作为姿控执行机构的航天器隔振设计。

技术领域

本发明涉及一种基于磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)的航天器姿态与振动一体化控制方法，适用于采用MSCSG作为航天器姿控执行机构的航天器的微振动抑制设计。

技术背景

星上如动量轮、机械式控制力矩陀螺的转动、制冷剂的晃动、太阳能电池帆板等挠性附件进出阴影时冷热交变诱发的热震颤都会使航天器产生小幅、宽频的微振动。微振动已成为制约航天器有效载荷发挥作用的瓶颈。

目前微振动抑制技术包括部件级与系统级隔振，部件级隔振主要针对振源或者有效载荷展开，大致分为被动隔振，主动振动抑制，半主动隔振，主被动一体化振动抑制。被动隔振主要用来抑制高频振动，由于采用的隔振元件弹簧存在共振频率，因此该方法存在高频隔振与谐振抑制的冲突，导致隔振精度不高。主动振动抑制主要对低频振动抑制效果良好，但是需要外加能源、控制器，成本较高。半主动隔振弥补了被动隔振的缺陷，但是其重量较大，不太适用于严格控制重量指标的航天器。主被动一体化振动控制隔振频带较宽，但是结构比较复杂。另外，部件级隔振由于忽略了个体振源与中心刚体之间的耦合，导致整星的抑振效果有限，无法保证航天器良好的动态性能。系统级抑振通常将振动当作一种外加扰动，通过在姿态控制律中增加鲁棒控制的方法予以抑制。但是，由于受限于现有姿控系统带宽，再加上操纵律和姿控律的约束，该类控制方法要满足一定的姿态稳定度所需的收敛时间较长，其姿态控制的精度和振动抑制的速度很难同时达到理想的效果。还有学者利用姿控执行机构进行扰动抑制，王平等人在《一种磁悬浮控制力矩陀螺转子系统解耦和扰动抑制方法》提出利用磁悬浮转子进行小幅值扰动抑制，由于转子偏转范围很小，该方法无法同步实现航天器的大角度机动。

MSCSG是一种新型的惯性执行机构，既具备磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)的输出力矩功能又具有磁悬浮敏感陀螺的角速率测量功能。主要由磁悬浮转子系统(MSR)和框架伺服系统组成。MSR具有2自由度微框架力矩输出能力和2自由度角速率敏感功能。由于转子偏转是由洛伦兹力磁轴承产生的，因此，微框架力矩输出精度比MSCMG更高，同时，由于MSCSG的特殊结构，转子偏转角度比MSCMG更大，因此，MSCSG的微框架力矩具备抑制航天器微振动的优势。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对航天器的微振动抑制问题，提出一种在不忽略航天器中心刚体和振源间耦合且不增加额外硬件资源的条件下，利用姿控执行机构MSCSG本身来抑制航天器的微振动，它从系统级角度实现了航天器的姿控/抑振一体化，提高了航天器姿态控制精度和振动抑制的收敛速度。既拓展了MSCSG的空间应用范围，又是航天器微振动抑制领域的一种全新的技术途径。

本发明的技术解决方案：

利用MSCSG构型中的陀螺框架旋转输出的陀螺力矩控制航天器姿态机动，利用MSCSG构型中的磁悬浮转子偏转输出的微框架力矩抑制航天器微振动，具体包括以下步骤：

(1)考虑转子偏转条件下的在轨单个MSCSG动力学建模

在轨单个MSCSG角动量及其变化率可表示为：