CN108319148A - 一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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：
第一步，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的动力学模型；
第二步，利用矢量控制与PI控制方法对控制力矩陀螺框架伺服系统电流环进行控制；
第三步，在控制力矩陀螺框架伺服系统的速度环设计干扰观测器对控制力矩陀螺框架伺服系统受到的摩擦力矩与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；
第四步，将第三步中观测到的等价干扰估计值通过前馈通道予以抵消，并与PI控制器进行复合，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。
针对含有摩擦干扰以及转子不平衡振动引起的扰动力矩的控制力矩陀螺框架伺服系统：首先，在控制力矩陀螺框架伺服系统实际运行环境中收集相关参数样本信息，用最小二乘辨识算法辨识框架伺服系统的定子电感、定子电阻、转动惯量以及粘滞摩擦系数相关样本信息，根据力学原理与电路定理，建立含有干扰力矩的控制力矩陀螺框架系统模型；其次，利用矢量控制与PI控制方法对控制力矩陀螺框架伺服系统电流环进行控制设计；再次，设计干扰观测器对控制力矩陀螺框架系统中摩擦干扰与转子不平衡振动引起扰动力矩组成的等价干扰进行估计；最后将等价干扰估计值通过前馈通道予以抵消，并与PI控制器进行复合，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。其实施步骤如下：
第一步，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的动力学模型：
其中，id,id分别为定子电流d,q轴分量；ud,uq分别为定子电压d,q轴分量；Ld,Lq分别为定子d,q轴电感；Rs为定子电阻；ω为框架角速度；np为磁极对数；ψf为转子磁链；Bv为粘滞摩擦系数；J为转子惯量与框架转动惯量之和；Te为电机输出的电磁转矩；为摩擦力矩干扰力矩；为转子不平衡振动产生的干扰力矩；分别为d轴电流分量、q轴电流分量、框架角速度对时间的一阶导数。
第二步，利用PI控制器结合矢量控制方法对控制力矩陀螺伺服系统电流环进行控制：首先采用矢量控制方法实现d-q轴电流解耦并获得控制力矩陀螺框架系统的电流环简化模型：
再通过调节PI控制器参数：使得阻尼比为0.707，系统具有足够快的响应速度与足够小的超调动态性能，并获得控制后的电流环闭环传递函数为：
其中，TPWM为电流环采样和控制滞后引起的延时；Gi(s)为电流环闭环传递函数。
第三步，在控制力矩陀螺框架伺服系统的速度环设计干扰观测器对系统受到的摩擦力矩与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；
根据系统模型获得框架伺服系统动力学方程为：
其中，J为转子惯量与框架转动惯量之和；为电机转矩系数；为框架伺服系统转速对时间的一阶导数；i为框架伺服系统电流环输出电流；Tf为摩擦干扰力矩与转子不平衡振动引起扰动力矩组成的总干扰力矩。
再依据上述动力学方程设计干扰观测器，对总干扰力矩Tf进行估计：
其中，ω为框架伺服系统输出角速度；m为测量噪声；为控制力矩陀螺框架伺服系统速度环的开环传递函数；Gn(s)为框架伺服系统速度环的名义模型；为干扰观测器中的低通滤波器，0<τ<1为滤波器系数；为摩擦干扰力矩以及转子不平衡振动组成的总干扰力矩的估计值。
第四步，将第三步获得等价干扰估计值通过前馈通道予以抵消，并与PI控制器进行复合，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：
其中，u为控制力矩陀螺框架伺服系统速度环的控制输入；GVPI(s)为速度环PI控制器传递函数；Te为电机输出的电磁转矩；为摩擦干扰以及转子不平衡振动产生总干扰力矩的估计值；为电机转矩系数。
最后获得系统输出角速度：
ω＝Guy(s)u+Gdy(s)Tf
其中，
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明借助干扰观测器在控制力矩陀螺框架伺服系统速度环实现了对框架伺服系统在低速工作中面临的摩擦干扰以及转子不平衡振动扰动力矩的实时估计与补偿，并与目前常用的PI控制方法组成复合控制器，有效地增强了控制力矩陀螺框架伺服系统的抗干扰能力并提高输出角速率精度，该方法具有抗干扰能力强、保守性低以及结构灵活等优点，可在工程实践中有效地保障控制力矩陀螺框架系统在低速率工作中的高精度力矩输出。
附图说明
图1为本发明一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法中干扰观测器实现原理图；
图2为本发明一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法的结构组成框图；
图3为使用PI控制方法的控制力矩陀螺框架伺服系统输出角速率波形；
图4为使用本发明提出方法的控制力矩陀螺框架伺服系统输出角速率波形。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明所述的一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法设计步骤为：首先，在控制力矩陀螺框架伺服系统实际运行环境中收集相关参数样本信息，用最小二乘辨识算法辨识框架伺服系统的定子电感、定子电阻、转动惯量以及粘滞摩擦系数相关样本信息，根据力学原理与电路定理，建立含有干扰力矩的控制力矩陀螺框架系统模型；其次，利用矢量控制与PI控制方法对控制力矩陀螺框架伺服系统电流环进行控制设计；再次，设计干扰观测器对控制力矩陀螺框架系统中扰动力矩组成的等价干扰进行估计；最后将等价干扰估计值通过前馈通道予以抵消，并与PI控制器进行复合，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。具体实施步骤如下：
第一步，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的动力学模型：
其中，id,id分别为定子电流d,q轴分量；ud,uq分别为定子电压d,q轴分量；Ld,Lq分别为定子d,q轴电感，取值为Ld＝Lq＝0.0034H；Rs为定子电阻，取值为Rs＝1.4Ω；ω为框架角速度，其期望值取值为ω*＝0.1°/s；np为磁极对数，取值为np＝4；ψf为转子磁链，取值为ψf＝0.171Wb；Bv为粘滞摩擦系数，取值为Bv＝0.05Nm；J为转子惯量与框架转动惯量之和，取值为J＝0.0015kg·m2；Te为电磁转矩；为摩擦力矩干扰力矩；为转子不平衡振动产生的干扰力矩，取值为频率为100Hz，幅值为0.005Nm的正弦信号；分别为d轴电流分量、q轴电流分量、框架角速度对时间的一阶导数。
第二步，利用PI控制器结合矢量控制方法对控制力矩陀螺伺服系统电流环进行控制：首先采用矢量控制方法实现d-q轴电流解耦并获得控制力矩陀螺框架系统的电流环简化模型：
再通过调节PI控制器参数：使得阻尼比为0.707，系统具有足够快的响应速度与足够小的超调动态性能，获得校正后的电流环闭环传递函数为：
其中，TPWM为电流环采样和控制滞后引起的延时；Gi(s)为电流环闭环传递函数。
第三步，在控制力矩陀螺框架伺服系统的速度环设计干扰观测器对系统受到的摩擦力矩与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；
根据系统模型获得框架伺服系统动力学方程为：
其中，J为转子惯量与框架转动惯量之和；为电机转矩系数；为框架伺服系统转速对时间的一阶导数；i为框架伺服系统电流环输出电流；Tf为摩擦干扰力矩以及转子不平衡振动引起扰动力矩组成的总干扰力矩。
从而依据上述动力学方程设计干扰观测器，对总干扰力矩Tf进行估计：
其中，为摩擦干扰力矩以及转子不平衡振动组成的总干扰力矩的估计值，ω为框架伺服系统输出角速度；m为测量噪声；为控制力矩陀螺框架伺服系统速度环的开环传递函数；Gn(s)为框架伺服系统速度环的名义模型；为干扰观测器中的低通滤波器，0<τ<1为滤波器系数，取值τ＝0.0002；
第四步，将等价干扰估计值通过前馈通道予以抵消，并与PI控制器进行复合，其中速度环PI控制器参数取值为积分系数KVi＝2.1，比例系数KVp＝4.7，从而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：
其中，u为控制力矩陀螺框架伺服系统速度环的控制输入；GVPI(s)为速度环PI控制器传递函数；为摩擦干扰以及转子不平衡振动产生总干扰力矩的估计值；为电机转矩系数。
最后获得系统输出角速度：
ω＝Guy(s)u+Gdy(s)Tf
其中，
图3、图4分别是在MATLAB仿真环境下使用传统PI控制方法与使用本发明提出的高精度控制方法两种情况下，控制力矩陀螺框架伺服系统输出角速率波形。对使用传统PI方法的框架伺服系统加入频率为100Hz的正弦干扰力矩进行仿真时，框架角速率受到扰动较大，其稳态误差达到如图3所示。而使用本发明提出的高精度控制方法后，控制力矩陀螺框架输出角速率受到扰动力矩的影响较小，如图4所示。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，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的动力学模型；
第二步，利用矢量控制与PI控制方法对控制力矩陀螺框架伺服系统电流环进行控制；
第三步，在控制力矩陀螺框架伺服系统的速度环设计干扰观测器对控制力矩陀螺框架伺服系统受到的摩擦力矩与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；
第四步，将第三步中观测到的等价干扰估计值通过前馈通道予以抵消，并与PI控制器进行复合，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。
2.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法，其特征在于：所述第一步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的动力学模型：
其中，id,iq分别为定子电流d,q轴分量；ud,uq分别为定子电压d,q轴分量；Ld,Lq分别为定子d,q轴电感；Rs为定子电阻；ω为框架角速度；np为磁极对数；ψf为转子磁链；Bv为粘滞摩擦系数；J为转子惯量与框架转动惯量之和；Te为电磁转矩；为摩擦力矩干扰力矩；为转子不平衡振动产生的干扰力矩；分别为d轴电流分量、q轴电流分量、框架角速度对时间的一阶导数。
3.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法，其特征在于：所述第三步，在控制力矩陀螺框架伺服系统的速度环设计干扰观测器对系统受到的摩擦力矩与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；
根据系统模型获得框架伺服系统动力学方程为：
其中，J为转子惯量与框架转动惯量之和；为电机转矩系数；为框架伺服系统转速对时间的一阶导数；i为框架伺服系统电流环输出电流；Tf为摩擦干扰力矩以及转子不平衡振动引起扰动力矩组成的总干扰力矩；
从而依据上述动力学方程设计干扰观测器，对总干扰力矩Tf进行估计：
其中，ω为框架伺服系统输出角速度；m为测量噪声；为控制力矩陀螺框架伺服系统速度环的开环传递函数；Gn(s)为框架伺服系统速度环的名义模型；为干扰观测器中的低通滤波器，0<τ<1为滤波器系数；为摩擦干扰力矩以及转子不平衡振动组成的总干扰力矩的估计值。
4.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺框架伺服系统低转速高精度控制方法，其特征在于：首先利用PI控制结合矢量控制方法对控制力矩陀螺框架伺服系统电流环进行控制，通过调节PI参数获得电流环闭环传递函数为：
其中，TPWM为电流环采样和控制滞后引起的延时；Gi(s)为电流环闭环传递函数；并将第三步获得等价干扰估计值通过前馈通道予以抵消，进而与PI控制器进行复合，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：
其中，u(s)为控制力矩陀螺框架伺服系统速度环的控制输入；GVPI(s)为速度环PI控制器传递函数；为摩擦干扰以及转子不平衡振动产生总干扰力矩的估计值；为电机转矩系数；
最后获得系统输出角速度：
ω＝Guy(s)u+Gdy(s)Tf
其中，
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