[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于：利用磁悬浮控制敏感陀螺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，利用磁悬浮控制敏感陀螺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磁悬浮控制敏感陀螺动力学建模在轨单个磁悬浮控制敏感陀螺角动量及其变化率可表示为：其中，h代表陀螺的角动量，δ代表框架绕陀螺坐标系OXCSGYCSGZCSG中OXCSG的旋转角，α代表磁悬浮转子绕定子坐标系OXfYfZf中OXf的偏转角；为了避免陀螺框架与转子转动相互耦合，选择转子的偏转方向与框架旋转方向一致；(2)考虑转子偏转条件下的在轨磁悬浮控制敏感陀螺金字塔构型动力学建模以金字塔构型为例，在轨金字塔构型磁悬浮控制敏感陀螺的角动量及其变化率可表示为；式中，h代表单个陀螺的角动量，σ代表金字塔顶角，δ₁，δ₂，δ₃，δ₄代表金字塔构型的4个陀螺框架的偏转角，代表金字塔构型的4个陀螺框架的偏转角速度，α₁，α₂，α₃，α₄代表金字塔构型的4个陀螺的转子偏转角，代表金字塔构型的4个陀螺的转子偏转角速度；(3)航天器姿控/抑振一体化控制器在采用自适应陷波器对航天器受到的微振动Td进行辨识的基础上，基于反步控制思想设计一体化控制器：其中，a，b，k1，k2是正常数，G是航天器转动惯量参数矩阵J的估计参数矩阵，qev＝[qev1 qev2 qev3]T代表航天器姿态四元数误差的后三项组成的矢量，ωib＝[ωib1 ωib2 ωib3]T代表航天器姿态角速率，ωh＝[ωh1 ωh2 ωh3]T代表航天器姿态角速率的高频分量，ωl＝[ωl1 ωl2 ωl3]T代表航天器姿态角速率的低频分量；Y1，Y2分别表示为：(4)带通滤波器设计由于航天器姿态信号带宽较低，通常在0.1Hz以下，微振动信号带宽较高，通常在20Hz以上，为了实现姿控信号与抑振信号的有效分离，以及框架角与转子偏转角指令信号的分离，带通滤波器的截止频率设定为0.1Hz，低通滤波器选择惯性环节：1/(10s+1)，高通滤波器选择微分环节结合惯性环节：s/(s+0.1)。