CN110456630A - 一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法，针对控制力矩陀螺框架伺服系统面临转子动不平衡引起的高频振动干扰、摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态多源干扰问题，首先，建立含有转子动不平衡引起的高频振动干扰、摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态多源干扰的控制力矩陀螺框架伺服系统的动力学模型；其次，对转子动不平衡引起的高频振动干扰建立干扰模型并设计谐波干扰观测器对其进行估计；然后，在反馈通道设计积分滑模控制器对摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态进行抑制，最后完成控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制。本发明具有工程实用性强、抗干扰性高等优点。

Description

一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法

技术领域

本发明属于伺服系统控制领域，具体涉及一种控制力矩陀螺(CMG,controlmoment gyroscope)框架伺服系统干扰抑制控制方法。

背景技术

随着航天器应用范围的拓展、性能的提高，对姿态控制系统(ACS，AttitudeControl System)提出了更高的要求，ACS的性能直接决定了整个航天器系统的寿命与性能，进而决定了整个航天任务的成败。对于航天器姿态控制系统而言，一个合适的执行机构是航天器执行任务不可或缺的主要部分，常用的执行机构包括喷气推力器、动量轮、控制力矩陀螺等。与动量轮相比，CMG的输出力矩远大于动量轮的输出力矩(通常在数百倍以上)，具有较高的能效比；与喷气推力器相比，CMG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(只消耗电能)。由于CMG的诸多优点，CMG已经成功应用于Skylab、ISS、天宫二号等大型航天器，以及WorldView等高分辨敏捷卫星，近年来，其应用领域也逐步扩展到各类小卫星、微卫星。

CMG由陀螺转子系统(高速旋转的转子、转子支承系统、陀螺房、高速驱动电机)和框架伺服系统(框架体、电机、滑环、角位置传感、支承系统)等组成，其中陀螺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，CMG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。所以，框架伺服系统速度控制性能直接决定CMG的输出力矩精度，为获得高精度的输出力矩，实现高精度的姿态控制，必须研究高性能框架伺服系统的控制方法。

然而，控制力矩陀螺框架伺服系统在实际工作中面临着复杂多源干扰，如摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态，转子动不平衡引起的高频振动干扰，这些多源干扰会显著降低框架伺服系统的控制性能，其中，转子动不平衡引起的高频振动干扰影响效果最为显著，MIT空间系统实验室和JPL实验室的研究曾指出，转子的动不平衡是天基望远镜最大的震颤源，星体内部高速旋转部件的高频颤振对星体控制精度的影响量级达到1×10^-5(°/s)～1×10^-4(°/s)之间。转子动不均衡引起的高频振动干扰具有振幅与转子角速度的平方有关、与转子频率相同的特点，且CMG为了获取对航天器输出足够的力矩要求转子具有足够高的转速，一般转子工作转速范围为6000rpm～8000rpm，故转子的动不均衡可以产生达到100HZ～133HZ的高频振动扰动，是CMG框架伺服系统面临的主要干扰源，对CMG框架伺服系统的速度控制精度产生严重影响。因此一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰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干扰抑制问题，国内外专家学者提出很多控制方法，文章《控制力矩陀螺框架伺服系统期望补偿自适应鲁棒控制》利用参数更新律对摩擦参数进行估计，并设计带有期望补偿的自适应鲁棒控制器，实现对摩擦非线性的精确补偿，同时减小测量信号噪声及外部干扰对CMG框架伺服系统的影响，但该论文未考虑其他多源干扰对CMG框架伺服系统的影响。专利申请号201610206725.5提出一种抑制转子动不均衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统及方法，该专利利用PI控制算法对CMG框架系统受到的转子动不均衡扰动进行抑制，但该专利未充分利用转子动均衡扰动的干扰信息并且没有考虑其他扰动对系统的影响。综上所述，现有方法无法解决CMG框架伺服系统实际工作中面对转子不平衡高频振动高精度控制问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对CMG框架伺服系统实际工作过程中受到的多源干扰，提供一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法，解决CMG框架系统在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，实现航天器高精度姿态控制，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抗干扰控制方法，利用谐波干扰观测器对CMG框架伺服系统受到的主要扰动——转子动不平衡引起的高频振动干扰进行干扰建模、估计且补偿，并在反馈通道利用积分滑模控制方法对CMG框架伺服系统受到摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态进行抑制，完成一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制，在提高CMG框架伺服系统抗干扰能力前提下，减弱积分滑模控制器带来的抖振现象，实现CMG框架伺服系统高精度角速率跟踪，提高CMG输出力矩精度。

具体包括以下步骤：

第一步，建立含有转子动不平衡引起的高频振动干扰、摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态多源干扰的控制力矩陀螺框架伺服系统的动力学模型；

第二步，对转子动不平衡引起的高频振动干扰建立干扰模型，设计谐波干扰观测器对转子动不平衡引起的高频振动干扰进行估计；

第三步，在反馈通道中设计积分滑模控制器对控制力矩陀螺框架系统中摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态进行抑制；

第四步，将步骤二设计的谐波干扰观测器与步骤三设计的积分滑模控制器进行复合，从而完成控制力矩陀螺框架伺服系统的抗干扰控制。

针对含有转子动不平衡引起的高频振动干扰、摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态多源干扰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、转动惯量等相关样本信息，根据力学原理与电路定理，建立含有转子动不平衡引起的高频振动干扰、摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态多源干扰的控制力矩陀螺框架伺服系统的动力学模型；其次，对转子动不平衡引起的高频振动干扰建立干扰模型，设计谐波干扰观测器对转子动不平衡引起的高频振动干扰进行估计；然后在反馈通道中设计积分滑模控制器对控制力矩陀螺框架系统中摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态进行抑制，最后将谐波干扰观测器与积分滑模控制器进行复合，从而完成控制力矩陀螺框架伺服系统的抗干扰控制。

其实施步骤如下：

第一步，建立含有转子动不平衡引起的高频振动干扰、摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态多源干扰的控制力矩陀螺框架伺服系统的动力学模型：

其中，i_d,i_q分别为定子电流d,q轴分量；u_d,u_q分别为定子电压d,q轴分量；L_d,L_q分别为定子d,q轴电感；R_s为定子电阻；ω为框架角速度；n_p为磁极对数；ψ_f为转子磁链；J为转子惯量与框架转动惯量之和；b为框架轴的阻尼系数；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；T_e为电机输出的电磁转矩；T_lump为CMG框架伺服系统的总干扰；T_f为摩擦干扰力矩；T_v为转子动不平衡引起的高频振动干扰；T_m为电机力矩摄动；T_u为CMG框架伺服系统未建模动态。

第二步，对转子动不平衡引起的高频振动干扰建立干扰模型，设计谐波干扰观测器对转子动不平衡引起的高频振动干扰进行估计：

首先，采用的矢量控制策略并根据步骤一中的模型获得控制力矩陀螺框架伺服系统速度环的一阶动力学方程：

其中，x＝ω为框架角速度,为框架角速度对时间的一阶导数；u＝i_q为框架伺服系统q轴电流环输出电流；d₁＝T_v为转子动不平衡引起的高频振动干扰；d₂＝T_v+T_m+T_u，T_f为摩擦干扰力矩、T_m为电机力矩摄动、T_u为控制力矩陀螺框架伺服系统未建模动态；n_p为磁极对数；ψ_f为转子磁链；J为转子惯量与框架转动惯量之和。

然后，对d₁建立干扰模型：

其中V＝[1 0],ω₀为转子动不平衡引起的高频振动干扰的频率。

最后设计谐波干扰观测器对转子动不平衡引起的高频振动干扰进行估计：

其中，为ξ的估计值；z为谐波干扰观测器的状态；x＝ω为框架角速度；L为谐波干扰观测器增益；为转子动不平衡引起的高频振动干扰d₁的估计值。

第三步，在反馈通道中设计积分滑模控制器对控制力矩陀螺框架系统中摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态进行抑制：

首先，依据步骤二中的控制力矩陀螺框架伺服系统动力学模型设计积分滑模面：

s＝ρ₁e+ρ₂∫edt

其中，框架角速度误差e＝ω_set-ω；∫edt为框架速度误差关于时间的积分；ω_set为框架角速度设定值；ω为实际框架角速度；∫edt为框架速度误差关于时间的积分；ρ₁＞0,ρ₂＞0是积分滑模面参数。

然后，根据积分滑模面设计积分滑模控制器为：

其中，x＝ω为框架角速度；为期望框架角速度对时间的导数；e＝ω_set-ω为框架角速度误差；K是积分滑模控制器增益；sign(s)是关于积分滑模面s的符号函数；n_p为磁极对数；ψ_f为转子磁链；J为转子惯量与框架转动惯量之和。

第四步，将步骤二设计的谐波干扰观测器与步骤三设计的积分滑模控制器进行复合，从而完成控制力矩陀螺框架伺服系统的抗干扰控制。

其中，u_s为积分滑模控制器，是对转子动不平衡引起的高频振动干扰d₁的估计值；n_p为磁极对数；ψ_f为转子磁链；J为转子惯量与框架转动惯量之和。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明借助谐波干扰观测器实现了对控制力矩陀螺框架伺服系统面临转子动不平衡引起的高频振动干扰的实时估计，并与积分滑模控制方法组成复合控制器，对控制力矩陀螺框架伺服系统受到的多源干扰进行抑制并且减弱积分滑模控制器引起的抖振现象。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，可有效地保障控制力矩陀螺框架伺服系统在实际工作中的高精度力矩输出。

附图说明

图1为本发明的控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法流程图；

图2为本发明的控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法原理框图。

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。

本发明一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法步骤为：

如图2，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、转动惯量等相关样本信息，根据力学原理与电路定理，建立含有转子动不平衡引起的高频振动干扰、摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态多源干扰的控制力矩陀螺框架伺服系统的动力学模型；其次，对转子动不平衡引起的高频振动干扰建立干扰模型，设计谐波干扰观测器对转子动不平衡引起的高频振动干扰进行估计；然后在反馈通道中设计积分滑模控制器对控制力矩陀螺框架系统中摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态进行抑制，最后将谐波干扰观测器与积分滑模控制器进行复合，从而完成控制力矩陀螺框架伺服系统的抗干扰控制。

具体实施步骤如下：

第一步，建立含有转子动不平衡引起的高频振动干扰、摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态多源干扰的控制力矩陀螺框架伺服系统的动力学模型：

其中，i_d,i_q分别为定子电流d,q轴分量；u_d,u_q分别为定子电压d,q轴分量；L_d,L_q分别为定子d,q轴电感，取值为L_d＝L_q＝2mH；R_s为定子电阻，取值为R_s＝2Ω；ω为框架角速度；n_p为磁极对数取值为n_p＝4；ψ_f为转子磁链，取值为ψ_f＝0.35Wb；J为转子惯量与框架转动惯量之和，取值为J＝0.1kg·m²；b为框架轴的阻尼系数，取值为b＝0.008N·m·s； 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；T_e为电机输出的电磁转矩；T_lump为控制力矩陀螺框架伺服系统的总干扰；T_f为摩擦干扰力矩；T_v为转子动不平衡引起的高频振动干扰；T_m为电机力矩摄动；T_u为控制力矩陀螺框架伺服系统未建模动态。

第二步，对转子动不平衡引起的高频振动干扰建立干扰模型，设计谐波干扰观测器对转子动不平衡引起的高频振动干扰进行估计：

首先，采用的矢量控制策略并根据步骤一中的模型获得控制力矩陀螺框架伺服系统速度环的一阶动力学方程：

其中，x＝ω为框架角速度,为框架角速度对时间的一阶导数；u＝i_q为框架伺服系统q轴电流环输出电流；d₁＝T_v为转子动不平衡引起的高频振动干扰,取值为正弦信号其频率为100Hz,幅值为5Nm；d₂＝T_v+T_m+T_u，T_f为摩擦干扰力矩，取值为3Nm的常值力矩；T_m为电机力矩摄动，取值为正弦信号其频率为2Hz,幅值为1Nm；T_u为控制力矩陀螺框架伺服系统未建模动态，取值为正弦信号其频率为0.5Hz,幅值为2Nm；b为框架轴的阻尼系数，取值为b＝0.008N·m·s；n_p为磁极对数；ψ_f为转子磁链；J为转子惯量与框架转动惯量之和，取值为J＝0.1kg·m²；

然后，对d₁建立干扰模型：

其中，V＝[1 0],ω₀为转子动不平衡引起的高频振动干扰的频率，取值为200π(rad/s)。

最后设计谐波干扰观测器对转子动不平衡引起的高频振动干扰进行估计：

其中，为ξ的估计值；z为谐波干扰观测器的状态；x＝ω为框架角速度；L为谐波干扰观测器增益，取值为L＝[25π35π]；为转子动不平衡引起的高频振动干扰d₁的估计值。

第三步，在反馈通道中设计积分滑模控制器对控制力矩陀螺框架系统中摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态进行抑制：

首先，依据步骤二中的控制力矩陀螺框架伺服系统动力学模型设计积分滑模面：

s＝ρ₁e+ρ₂∫edt

其中，框架角速度误差e＝ω_set-ω；∫edt为框架速度误差关于时间的积分；ω_set为框架角速度设定值，取值为ω_set＝0.1(rad/s)；ω为实际框架角速度；∫edt为框架速度误差关于时间的积分；ρ₁＞0,ρ₂＞0是积分滑模面参数，取值为ρ₁＝1,ρ₂＝1.5。

然后，根据积分滑模面设计积分滑模控制器为：

其中，x＝ω为框架角速度；为期望框架角速度对时间的导数；e＝ω_set-ω为框架角速度误差；K是积分滑模控制器增益，取值K＝100；sign(s)是关于积分滑模面s的符号函数；n_p为磁极对数，取值为n_p＝4；ψ_f为转子磁链，取值为ψ_f＝0.35Wb；J为转子惯量与框架转动惯量之和，取值为J＝0.1kg·m²；b为框架轴的阻尼系数，取值为b＝0.008N·m·s.

第四步，将步骤二设计的谐波干扰观测器与步骤三设计的积分滑模控制器进行复合，从而完成控制力矩陀螺框架伺服系统的抗干扰控制。

其中，u_s为积分滑模控制器，是对转子动不平衡引起的高频振动干扰d₁的估计值；n_p为磁极对数；ψ_f为转子磁链；J为转子惯量与框架转动惯量之和,u为复合公式。

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 (5)

1.一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，建立含有转子动不平衡引起的高频振动干扰、摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态的多源干扰的控制力矩陀螺框架伺服系统的动力学模型；

第二步，对转子动不平衡引起的高频振动干扰，建立干扰模型，设计谐波干扰观测器对转子动不平衡引起的高频振动干扰进行估计；

第三步，在反馈通道中设计积分滑模控制器对控制力矩陀螺框架系统中摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态进行抑制；

第四步，将第二步设计的谐波干扰观测器与第三步设计的积分滑模控制器进行复合，从而完成控制力矩陀螺框架伺服系统的抗干扰控制。

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抗干扰控制方法，其特征在于：所述第一步，建立含有转子动不平衡引起的高频振动干扰、摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态多源干扰的控制力矩陀螺框架伺服系统的动力学模型：

其中，i_d,i_q分别为定子电流d,q轴分量；u_d,u_q分别为定子电压d,q轴分量；L_d,L_q分别为定子d,q轴电感；R_s为定子电阻；ω为框架角速度；n_p为磁极对数；ψ_f为转子磁链；J为转子惯量与框架转动惯量之和；b为框架轴的阻尼系数；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；T_e为电机输出的电磁转矩；T_lump为控制力矩陀螺框架伺服系统的总干扰；T_f为摩擦干扰力矩；T_v为转子动不平衡引起的高频振动干扰；T_m为电机力矩摄动；T_u为控制力矩陀螺框架伺服系统未建模动态。

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抗干扰控制方法，其特征在于：所述第二步，对转子动不平衡引起的高频振动干扰建立干扰模型，设计谐波干扰观测器对转子动不平衡引起的高频振动干扰进行估计过程如下：

(1)首先，采用的矢量控制策略，并根据第一步中的动力学模型获得控制力矩陀螺框架伺服系统速度环的一阶动力学方程：

其中，x＝ω为框架角速度,为框架角速度对时间的一阶导数；u＝i_q为框架伺服系统q轴电流环输出电流；d₁＝T_v为转子动不平衡引起的高频振动干扰；d₂＝T_v+T_m+T_u，T_f为摩擦干扰力矩、T_m为电机力矩摄动、T_u为控制力矩陀螺框架伺服系统未建模动态；n_p为磁极对数；ψ_f为转子磁链；J为转子惯量与框架转动惯量之和；

(2)然后，对d₁建立干扰模型：

其中V＝[1 0],ω₀为转子动不平衡引起的高频振动干扰的频率；

(3)最后设计谐波干扰观测器对转子动不平衡引起的高频振动干扰进行估计：

其中，为ξ的估计值；z为谐波干扰观测器的状态；x＝ω为框架角速度；L为谐波干扰观测器增益；为转子动不平衡引起的高频振动干扰d₁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抗干扰控制方法，其特征在于：所述第三步，在反馈通道中设计积分滑模控制器对控制力矩陀螺框架系统中摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态进行抑制过程如下：

(1)首先，依据步骤二中的控制力矩陀螺框架伺服系统动力学模型设计积分滑模面：

s＝ρ₁e+ρ₂∫edt

其中，框架角速度误差e＝ω_set-ω；ω_set为框架角速度设定值；ω为实际框架角速度；∫edt为框架角速度误差e关于时间的积分；ρ₁＞0,ρ₂＞0是积分滑模面参数；

(2)然后，根据积分滑模面，设计积分滑模控制器为：

其中，x＝ω为框架角速度；为期望框架角速度对时间的导数；ρ₁＞0,ρ₂＞0是积分滑模面参数；e＝ω_set-ω为框架角速度误差；K是积分滑模控制器增益；sign(s)是关于积分滑模面s的符号函数；n_p为磁极对数；ψ_f为转子磁链；J为转子惯量与框架转动惯量之和。

5.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法，其特征在于：第四步将步骤二设计的谐波干扰观测器与步骤三设计的积分滑模控制器进行复合，复合公式为：

其中，u_s为积分滑模控制器，是对转子动不平衡引起的高频振动干扰d₁的估计值，n_p为磁极对数；ψ_f为转子磁链；J为转子惯量与框架转动惯量之和。