CN113359479B - 一种dgvscmg框架伺服系统复合抗干扰控制方法 - Google Patents

一种dgvscmg框架伺服系统复合抗干扰控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种DGVSCMG框架伺服系统复合抗干扰控制方法，针对CMG模式下受摩擦力矩和框架间耦合力矩两种低频力矩和动不平衡高频力矩制约框架伺服系统转速精度提高的问题，目标是通过设计复合抗干扰控制器，实现DGVSCMG低速双框架伺服系统的高精度转速控制。首先，根据欧拉动力学方程，对已有的DGVSCMG框架伺服系统数学模型进行改进；其次，设计干扰观测器对低频干扰进行实时估计补偿；然后设计比例积分谐振控制器，抑制动不平衡高频干扰；最后，将比例积分谐振控制器与干扰观测器进行复合，实现DGVSCMG框架伺服系统的多源抗干扰控制和高精度转速跟踪。本发明具有设计简单、抗干扰能力强和工程实用性强的优点。

Description

一种DGVSCMG框架伺服系统复合抗干扰控制方法
技术领域
本发明属于伺服系统控制领域，具体涉及一种DGVSCMG(Double Gimbal VariableSpeed Control Moment Gyroscope，DGVSCMG，双框架变速控制力矩陀螺)框架伺服系统复合抗干扰控制方法，用于提高CMG工作模式下双框架变速控制力矩陀螺内、外框架伺服系统应对多源干扰的能力，实现内、外低转速框架的高精度控制。
背景技术
被誉为“大国重器”的变速控制力矩陀螺作为一种新型的航天器姿态控制执行机构，兼具控制力矩陀螺和飞轮两者的优点，既可以工作在CMG模式下通过框架转动改变输出力矩方向输出大力矩，又可以工作在飞轮模式下通过改变陀螺房转子转速输出精细力矩，是航天器解决快速大角度姿态机动与高姿态稳定度控制之间矛盾的重要途经。根据其工作原理，DGVSCMG输出力矩的精度取决于内、外框架伺服系统的转速控制精度。然而，内、外框架伺服系统中存在的多源干扰严重影响了框架转速的控制精度和稳定度。多源干扰可以分为以下几类：(1)内、外框架间的耦合力矩：由于陀螺效应，内、外框架的转动相互影响，使得DGCMG框架伺服系统具有强耦合特性；(2)摩擦力矩：由于框架转动、温度、使用磨损和轴承润滑条件等因素引起的扰动力矩，对框架伺服系统会造成跟踪静差、低速爬行和稳态极限环等影响；(3)陀螺房高速转子变速扰动力矩：在飞轮模式下，由于高速转子的变速而作用于外框架的干扰力矩；(4)动不平衡扰动力矩：由于生产制造和装配误差，高速转子的惯量主轴与旋转轴不完全重合，存在动不平衡量，进而产生高频周期性扰动。因此，DGVSCMG框架伺服系统是一个非线性、强耦合、多变量的复杂系统，实现低速双框架的高精度转速控制具有重要的研究意义。
针对变速控制力矩陀螺框架伺服系统的转速调节问题，国内外专家学者提出一些控制方法。文章《基于ESO的DGVSCMG双框架伺服系统不匹配扰动抑制》针对DGVSCMG两种工作模式下内、外框架系统存在的不匹配干扰抑制问题，提出了一种基于扩张状态观测器的状态反馈扰动抑制方法。虽然该方法有效减小了耦合力矩引起的内、外框架角速度跟踪误差，但未考虑动不平衡高频扰动力矩对框架伺服系统的影响。
专利申请号201910668425.2针对动不平衡高频微振动噪声制约卫星姿态控制精度和稳定度提升的问题，提出了一种利用光纤陀螺分析星载变速CMG微振动影响的方法。尽管该方法克服现有技术不足，解决了整星微振动试验方式的局限性问题，但未涉及具体的微振动噪声抑制措施。
综上所述，现有方法不能较好地减小多源干扰的影响，多源干扰情况下DGVSCMG低速框架伺服系统的高精度转速控制是亟需解决的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种DGVSCMG框架伺服系统复合抗干扰控制方法。以DGVSCMG框架伺服系统为研究对象，改进已有的内、外框架伺服系统的动力学模型，针对内、外框架间的耦合力矩、摩擦力矩和动不平衡高频干扰力矩制约框架转速精度提高的问题，保证DGVSCMG在CMG模式下的框架转速跟踪精度，具有设计简单、抗干扰能力强和工程实用性强的优点。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：通过分析高速转子系统和内、外框架伺服系统三者之间的动力学关系，建立了一种永磁同步电机直驱的DGVSCMG框架伺服系统的数学模型；设计频域干扰观测器实时估计框架间耦合力矩和摩擦力矩两种低频力矩，并采用PIR控制器抑制动不平衡高频干扰，实现CMG模式下多源干扰的估计、前馈补偿和抑制，提高内、外低速框架伺服系统的转速控制精度和稳定度。
本发明的一种DGVSCMG框架伺服系统复合抗干扰控制方法(Double GimbalVariable Speed Control Moment Gyroscope，DGVSCMG)，包括以下步骤：
第一步，采用永磁同步电机直接驱动的方式，基于欧拉动力学方程，建立DGVSCMG框架伺服系统的数学模型；
第二步，根据第一步所述的数学模型，设计频域干扰观测器，对框架间耦合力矩和摩擦力矩两种低频力矩进行实时估计，得到CMG(Control Moment Gyroscope)工作模式下低频干扰的估计值；
第三步，根据第一步所述的数学模型，基于动不平衡高频干扰的频率信息和谐振控制在谐振频率处的高增益特征，设计比例积分谐振(Proportional Integral Resonant，PIR)控制器抑制动不平衡高频干扰；
第四步，将第二步的干扰观测器与第三步的比例积分谐振控制器进行复合，实现CMG模式下多源干扰的估计、前馈补偿和抑制，提高DGVSCMG框架伺服系统的抗干扰能力和转速控制精度。
所述第一步，确定被控对象的数学模型。基于id＝0的矢量控制策略，根据欧拉动力学方程，建立地面实验条件下DGVSCMG框架伺服系统的数学模型如下：
取
Figure BDA0003165828230000031
u＝[u1 u2]T＝[uqgx uqjy]T，TL＝[TL1 TL2]T，Jx＝Jgx+Jrr，Jy＝Jjy+Jgy·cos2θgx+Jgz·sin2θgx+Jrr·cos2θgx+Jrz·sin2θgx。由于陀螺房高速转子径向扭转角α,β较小，
Figure BDA0003165828230000032
忽略陀螺房转子径向运动的影响，DGVSCMG框架伺服系统的状态空间方程为：
Figure BDA0003165828230000033
其中，
Figure BDA0003165828230000034
Figure BDA0003165828230000035
Figure BDA0003165828230000036
Figure BDA0003165828230000037
θgx、
Figure BDA0003165828230000038
和
Figure BDA0003165828230000039
为内框架坐标系相对外框架坐标系转动的角位置、角速度和角加速度；θjy、
Figure BDA00031658282300000310
和
Figure BDA00031658282300000311
为外框架坐标系相对惯性坐标系转动的角位置、角速度和角加速度；Tegx,Tejy分别为内、外框架驱动电机的电磁力矩；uqgx,uqjy分别是内、外框架驱动电机定子电压的q轴分量；TL1,TL2分别为内、外框架驱动电机速度环的干扰力矩；Jrx,Jry,Jrz为陀螺房高速转子绕转子坐标系三轴的转动惯量，且Jrx＝Jry＝Jrr；Jgx,Jgy,Jgz为内框架系统绕内框架坐标系三轴的转动惯量；Jjy为外框架系统绕外框架坐标系y轴的转动惯量；Lqgx,Lqjy分别是内、外框架驱动电机的q轴电感分量；Rqgx,Rqjy分别是内、外框架驱动电机的定子电阻；Ktgx,Ktjy分别是内、外框架驱动电机的电磁力矩系数，且Tegx＝Ktgx·iqgx,Tejy＝Ktjy·iqjy；iqgx,iqjy分别是内、外框架驱动电机定子电流的q轴分量；Kegx,Kejy分别是内、外框架驱动电机的反电势系数，且Ktgx＝1.5·Kegx，Ktjy＝1.5·Kejy；α,β,γ、
Figure BDA0003165828230000041
和
Figure BDA0003165828230000042
为轴承转子坐标系相对定子坐标系三轴转动的角位置、角速度和角加速度；
Figure BDA0003165828230000043
为陀螺房转子的转速；Hrz＝Jrz·Ω为陀螺房转子的角动量；Tdx,Tdy为陀螺房转子动不平衡力矩在内环系x,y轴的分量；Tfgx,Tfjy分别为内、外框架伺服系统中的摩擦力矩；mdx,mdy为陀螺房转子的内环系x,y轴动不平衡质量分量；rmd为动不平衡质量块到陀螺房转轴的距离；hf为陀螺房转子的厚度；Udx＝mdxrmdhf,Udy＝mdyrmdhf为内环系x,y轴动不平衡量分量；
Figure BDA0003165828230000044
为动不平衡质量mdx,mdy在初始时刻的相位角；
Figure BDA0003165828230000045
为外框架作用于内框架伺服系统的耦合力矩；
Figure BDA0003165828230000046
Figure BDA00031658282300000416
Figure BDA0003165828230000047
为内框架作用于外框架伺服系统的耦合力矩；
Figure BDA0003165828230000048
Figure BDA0003165828230000049
由高速转子变速引起的干扰项
Figure BDA00031658282300000410
仅存在于飞轮工作模式下；Tl1＝Tcgx+Tfgx；Tl2＝Tcjy+Tfjy。
需要说明的是，本发明处理的是CMG工作模式下的多源干扰，并未处理飞轮模式下的干扰。
所述第二步中，低频干扰的估计值实现如下：
为了补偿框架间耦合力矩Tcgx、Tcjy和摩擦力矩Tfgx、Tfjy两种低频力矩，设计频域干扰观测器对低频干扰进行实时估计，得到低频干扰的估计值：
Figure BDA00031658282300000411
其中，s为拉氏变换复变量算子；
Figure BDA00031658282300000412
为低频干扰估计值；
Figure BDA00031658282300000413
为框架间耦合力矩估计值；
Figure BDA00031658282300000418
为摩擦力矩估计值；
Figure BDA00031658282300000417
为框架伺服系统的角速度；us(s)为框架伺服系统速度环的复合控制量；Q(s)为频域干扰观测器中的滤波器；Qinv(s)为Q(s)与框架伺服系统动力学模型的逆乘积；
利用低频干扰和噪声分布在不同频段的特性，频域干扰观测器中的Q(s)取为低通滤波器。Q(s)和Qinv(s)表示为：
Figure BDA0003165828230000051
其中，s为拉氏变换复变量算子；T为Q(s)的时间常数；J为框架伺服系统驱动电机的转动惯量。
所述第三步，设计的PIR控制器如下：
Figure BDA0003165828230000052
其中，s为拉氏变换复变量算子；uPIR(s)为PIR控制器；ksp,ksi分别为比例和积分控制参数；
Figure BDA0003165828230000053
为谐振控制项比例系数；
Figure BDA0003165828230000054
为相位调整角；eω(s)为角速度跟踪误差；为了抑制频率为Ω的动不平衡高频干扰，取谐振频率ω0＝Ω。
所述第四步，复合控制器为：
Figure BDA0003165828230000055
其中，us为速度环的复合控制量，
Figure BDA0003165828230000056
为低频干扰的估计值，uPIR为PIR控制器的输出。
本发明与现有技术相比的优点在于：针对DGVSCMG框架伺服系统扰动抑制问题，现有技术有效减小了耦合力矩对内外框架角速度的影响，但存在考虑干扰种类单一、未充分利用干扰信息的问题。本发明较现有技术具有设计简单、抗干扰能力强和工程实用性强的优点。首先，本发明在建模过程中考虑了摩擦力矩和高速转子动不平衡力矩两种干扰，改进了已有的DGVSCMG框架伺服系统的数学模型，使其更贴近工程实际。其次，设计了频域干扰观测器对摩擦力矩和框架间耦合力矩两种低频干扰实时估计补偿，并利用谐振控制在谐振频率处的高增益特性和已知的高频干扰信息，设计了PIR控制器对高频干扰进行抑制。最后，通过将干扰观测器与PIR控制器复合，提高了内、外框架伺服系统的精细、多源、宽频带抗干扰能力，保证了DGVSCMG在CMG模式下的框架转速跟踪精度。
附图说明
图1为本发明的DGVSCMG框架伺服系统复合抗干扰控制方法流程图；
图2为本发明采用的框架伺服系统速度环频域DOBC原理框图；
图3为本发明采用的比例积分控制和比例积分谐振控制的Bode图；
图4为本发明提出的内、外框架伺服系统复合抗干扰控制框图；
图5为基于本发明的CMG模式下内、外框架伺服系统低频干扰估计及其估计误差图；
图6为基于对比方法的CMG模式下内、外框架伺服系统集总干扰估计及其估计误差图；
图7为基于本发明和对比方法的CMG模式下内框架伺服系统速度跟踪图；
图8为基于本发明和对比方法的CMG模式下外框架伺服系统速度跟踪图。
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。
如图1所示，本发明一种DGVSCMG框架伺服系统复合抗干扰控制方法步骤为：
首先，建立被控对象的数学模型。利用欧拉动力学方程，改进已有的永磁同步电机直驱DGVSCMG框架伺服系统的数学模型，并通过实验和最小二乘算法辨识驱动电机的相关参数；其次，设计干扰观测器实时估计框架间耦合力矩和摩擦力矩；然后，采用PIR控制器抑制动不平衡高频力矩；最后，将干扰观测器和PIR控制器进行复合，实现对CMG模式下多源干扰的估计、前馈补偿和抑制，提高内、外框架伺服系统的抗干扰能力和低速双框架的转速跟踪精度。
具体实施步骤如下：
第一步，建立被控对象的数学模型。为了简化驱动系统的结构和提高机械组件的可靠性，驱动方式选用框架控制带宽较高、更适合高精度驱动场合的直接驱动方式。为了避免换相转矩引起的框架转速波动现象，驱动电机选用永磁同步电机。基于id＝0的矢量控制策略，根据欧拉动力学方程，建立地面实验条件下DGVSCMG框架伺服系统的数学模型。
取
Figure BDA0003165828230000061
u＝[u1 u2]T＝[uqgx uqjy]T，TL＝[TL1 TL2]T，Jx＝Jgx+Jrr，Jy＝Jjy+Jgy·cos2θgx+Jgz·sin2θgx+Jrr·cos2θgx+Jrz·sin2θgx。由于陀螺房高速转子径向扭转角α,β较小，
Figure BDA0003165828230000062
忽略陀螺房转子径向运动的影响，DGVSCMG框架伺服系统的状态空间方程为：
Figure BDA0003165828230000063
其中，
Figure BDA0003165828230000064
Figure BDA0003165828230000071
Figure BDA0003165828230000072
Figure BDA0003165828230000073
θgx、
Figure BDA00031658282300000713
和
Figure BDA00031658282300000714
为内框架坐标系相对外框架坐标系转动的角位置、角速度和角加速度；θjy、
Figure BDA0003165828230000076
和
Figure BDA0003165828230000077
为外框架坐标系相对惯性坐标系转动的角位置、角速度和角加速度；Tegx,Tejy分别为内、外框架驱动电机的电磁力矩；uqgx,uqjy分别是内、外框架驱动电机定子电压的q轴分量；TL1,TL2分别为内、外框架驱动电机速度环的干扰力矩；Jrx,Jry,Jrz为陀螺房高速转子绕转子坐标系三轴的转动惯量，且Jrx＝Jry＝Jrr；Jgx,Jgy,Jgz为内框架系统绕内框架坐标系三轴的转动惯量；Jjy为外框架系统绕外框架坐标系y轴的转动惯量；Lqgx,Lqjy分别是内、外框架驱动电机的q轴电感分量；Rqgx,Rqjy分别是内、外框架驱动电机的定子电阻；Ktgx,Ktjy分别是内、外框架驱动电机的电磁力矩系数，且Tegx＝Ktgx·iqgx,Tejy＝Ktjy·iqjy；iqgx,iqjy分别是内、外框架驱动电机定子电流的q轴分量；Kegx,Kejy分别是内、外框架驱动电机的反电势系数，且Ktgx＝1.5·Kegx，Ktjy＝1.5·Kejy；α,β,γ、
Figure BDA0003165828230000078
和
Figure BDA0003165828230000079
为轴承转子坐标系相对定子坐标系三轴转动的角位置、角速度和角加速度；
Figure BDA00031658282300000710
为陀螺房转子的转速；Hrz＝Jrz·Ω为陀螺房转子的角动量；Tdx,Tdy为陀螺房转子动不平衡力矩在内环系x,y轴的分量；Tfgx,Tfjy分别为内、外框架伺服系统中的摩擦力矩；mdx,mdy为陀螺房转子的内环系x,y轴动不平衡质量分量；rmd为动不平衡质量块到陀螺房转轴的距离；hf为陀螺房转子的厚度；Udx＝mdxrmdhf,Udy＝mdyrmdhf为内环系x,y轴动不平衡量分量；
Figure BDA00031658282300000711
为动不平衡质量mdx,mdy在初始时刻的相位角；
Figure BDA00031658282300000712
为外框架作用于内框架伺服系统的耦合力矩；
Figure BDA0003165828230000081
Figure BDA0003165828230000082
Figure BDA0003165828230000083
为内框架作用于外框架伺服系统的耦合力矩；
Figure BDA0003165828230000084
cosθgx；由高速转子变速引起的干扰项
Figure BDA0003165828230000085
仅存在于飞轮工作模式下；Tl1＝Tcgx+Tfgx；Tl2＝Tcjy+Tfjy。
需要说明的是，本发明处理的是CMG工作模式下的多源干扰，并未处理飞轮模式下的干扰。
内、外框架伺服系统的参数及动不平衡高频干扰参数如表1所示。
表1 内、外框架伺服系统和动不平衡高频干扰参数
Figure BDA0003165828230000086
为了同时刻画摩擦力矩的静态特性和动态特性，采用LuGre摩擦模型表征内、外框架伺服系统中的摩擦力矩Tfgx,Tfjy：
Figure BDA0003165828230000087
其中，σ0是摩擦刚性系数，σ0＝1Nm/rad；σ1是摩擦阻尼系数，σ1＝0.5Nm/(rad/s)；σ2为粘性摩擦系数，σ2＝0.6Nm/(rad/s)；Tcf是库伦摩擦力矩，Tcf＝0.008Nm；Tsf是静摩擦力矩，Tsf＝0.1Nm；ωs是Stribeck特征角速度，ωs＝1r/min；z是表征摩擦接触表面不可测量的动态特性的状态变量；g(ω)是大于0的有界函数。
第二步，为了补偿框架间耦合力矩Tcgx、Tcjy和摩擦力矩Tfgx、Tfjy两种低频力矩，设计频域干扰观测器对低频干扰进行实时估计，得到低频干扰的估计值：
Figure BDA0003165828230000091
其中，s为拉氏变换复变量算子；
Figure BDA0003165828230000092
为低频干扰估计值；
Figure BDA0003165828230000093
为框架间耦合力矩估计值；
Figure BDA00031658282300000912
为摩擦力矩估计值；
Figure BDA00031658282300000911
为框架伺服系统的角速度；us(s)为框架伺服系统速度环的复合控制量；Q(s)为频域干扰观测器中的滤波器；Qinv(s)为Q(s)与框架伺服系统动力学模型的逆乘积。
利用低频干扰和噪声分布在不同频段的特性，频域干扰观测器中的Q(s)取为低通滤波器，频域DOBC原理框图如图2所示。Q(s)和Qinv(s)表示为：
Figure BDA0003165828230000096
s为拉氏变换复变量算子；T为Q(s)的时间常数；J为框架伺服系统驱动电机的转动惯量。
经多次仿真调试，内、外框架伺服系统中干扰观测器时间常数T均取为0.02。
第三步，根据第一步建立的数学模型，利用动不平衡高频干扰的频率信息和谐振控制在谐振频率处的高增益特点，设计PIR控制器抑制动不平衡高频干扰Tdgx、Tdjy：
Figure BDA0003165828230000097
其中，s为拉氏变换复变量算子；uPIR(s)为PIR控制器；ksp,ksi分别为比例和积分控制参数；
Figure BDA0003165828230000098
为谐振控制项比例系数；
Figure BDA0003165828230000099
为相位调整角；eω(s)为角速度跟踪误差；为了抑制频率为Ω的动不平衡高频干扰，取谐振频率ω0＝Ω。
首先，整定比例积分控制项参数。根据调参公式：
Figure BDA00031658282300000910
其中，fs为速度环的带宽；J为驱动电机转子惯量与框架转动惯量之和；Kt为驱动电机的力矩系数。取fs＝100Hz，最终整定的比例积分控制项参数如表2所示。
表2 比例积分控制项参数
Figure BDA0003165828230000101
其次，整定谐振控制项的参数。如图3所示，谐振控制项在谐振频率处具有高增益的特点。由于动不平衡高频干扰的频率已知，利用该特点抑制动不平衡高频干扰。经多次仿真调试，取谐振频率ω0＝Ω，内、外框架伺服系统的谐振控制项比例系数εΩ和相位调整角θΩ如表3所示。
表3 谐振控制项参数
θ<sub>Ω</sub> ε<sub>Ω</sub>
内框架伺服系统 5π/6 100
外框架伺服系统 5π/6 100
第四步，本发明提出的DGVSCMG框架伺服系统复合抗干扰控制框图如图4所示。将第二步的干扰观测器与第三步的PIR控制器进行复合，提高内、外框架伺服系统的抗干扰能力，保证CMG模式下低速双框架伺服系统的角速度跟踪精度。得到的复合控制器为：
Figure BDA0003165828230000102
其中，us为速度环的复合控制量，
Figure BDA0003165828230000103
为低频干扰的估计值，uPIR为PIR控制器的输出。
变速控制力矩陀螺在CMG模式下，取内、外框架伺服系统的初始角度为(θgx)0＝10°、(θjy)0＝0°，在t＝2s和t＝5s分别给内、外框架0.1rad/s的阶跃信号，高速转子以Ω＝6000r/min转速恒速旋转，基于本发明和论文《基于ESO的DGVSCMG双框架伺服系统不匹配扰动抑制》的内、外框架转速跟踪效果如图5-图8所示，其中，图5为DO对内外框架低频干扰的估计和估计误差(左上为内框架低频干扰的估计值，右上为内框架低频干扰的估计误差，左下为外框架低频干扰的估计值，右下为外框架低频干扰的估计误差)，图6为ESO对内外框架集总干扰的估计和估计误差(左上为内框架集总干扰的估计值，右上为内框架集总干扰的估计误差，左下为外框架集总干扰的估计值，右下为外框架集总干扰的估计误差)，图7为内框架伺服系统的转速跟踪，图8为外框架伺服系统的转速跟踪。从图5和图6可以看出，DO可以有效内外框架的低频干扰，而ESO受带宽限制不能完全估计内外框架的集总干扰，尤其是动不平衡高频干扰。根据图7和图8，可以看出本发明提出的基于“PIR+DO”方法的内外框架转速的稳态误差和波动较小，实现了多源干扰下框架转速的高精度跟踪，而基于“状态反馈+ESO”控制方法的跟踪效果存在明显的稳态误差和振荡。
为了更加具体地对比两种控制方法的控制效果，利用采样数据，在CMG模式下采用相对转速控制稳定度σ、相对转速控制精度υ、转速波动系数
Figure BDA0003165828230000111
和稳态误差es(rad/s)四种评价指标进行评价，两种控制方法的评价指标如表4所示。
表4 两种控制方法的评价指标
Figure BDA0003165828230000112
注：1.0e3＝1.0·103。
由表4得，在CMG模式下，本发明的四种评价指标较对比方法高1～3个数量级，说明本发明具有更高的转速控制精度、转速控制稳定度，更小的转速脉动和稳态误差。因此，本发明提出的复合抗干扰控制方法的转速控制效果明显优于对比方法。
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 (2)

1.一种DGVSCMG框架伺服系统复合抗干扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，采用永磁同步电机直接驱动的方式，基于欧拉动力学方程，建立DGVSCMG框架伺服系统的数学模型；
第二步，根据第一步所述的数学模型，设计频域干扰观测器，对框架间耦合力矩和摩擦力矩两种低频力矩进行实时估计，得到CMG工作模式下低频干扰的估计值；
第三步，根据第一步所述的数学模型，基于动不平衡高频干扰的频率信息和谐振控制在谐振频率处的高增益特征，设计比例积分谐振控制器(Proportional IntegralResonant，PIR)抑制动不平衡高频干扰；
第四步，将第二步的干扰观测器与第三步的比例积分谐振控制器进行复合，实现CMG模式下多源干扰的估计、前馈补偿和抑制，提高DGVSCMG框架伺服系统的抗干扰能力和转速控制精度；
所述第二步中，低频干扰的估计值实现如下：
为了补偿耦合力矩Tcgx、Tcjy和摩擦力矩Tfgx、Tfjy两种低频力矩，设计频域干扰观测器对低频干扰进行实时估计，得到低频干扰的估计值：
Figure FDA0003585530510000011
其中，s为拉氏变换复变量算子；
Figure FDA0003585530510000012
为低频干扰估计值；
Figure FDA0003585530510000013
为框架间耦合力矩估计值；
Figure FDA0003585530510000014
为摩擦力矩估计值；
Figure FDA0003585530510000015
为框架伺服系统的角速度；us(s)为框架伺服系统速度环的复合控制量；Q(s)为频域干扰观测器中的滤波器；Qinv(s)为Q(s)与框架伺服系统动力学模型的逆乘积；
利用低频干扰和噪声分布在不同频段的特性，频域干扰观测器中的Q(s)取为低通滤波器；Q(s)和Qinv(s)表示为：
Figure FDA0003585530510000016
T为Q(s)的时间常数；J为框架伺服系统驱动电机的转动惯量；
所述第三步，设计的PIR控制器如下：
Figure FDA0003585530510000021
其中，s为拉氏变换复变量算子；uPIR(s)为PIR控制器；ksp,ksi分别为比例和积分控制参数；
Figure FDA0003585530510000022
为谐振控制项比例系数；
Figure FDA0003585530510000023
为相位调整角；eω(s)为角速度跟踪误差；为了抑制频率为Ω的动不平衡高频干扰，取谐振频率ω0＝Ω；
所述第四步，复合控制器为：
Figure FDA0003585530510000024
其中，us(s)为速度环的复合控制量，
Figure FDA0003585530510000025
为低频干扰的估计值，uPIR(s)为PIR控制器。
2.根据权利要求1所述的一种DGVSCMG框架伺服系统复合抗干扰控制方法，其特征在于：所述第一步，建立DGVSCMG框架伺服系统的数学模型；基于id＝0的矢量控制策略，根据欧拉动力学方程，建立地面实验条件下DGVSCMG框架伺服系统的数学模型如下：
取
Figure FDA0003585530510000026
u＝[u1 u2]T＝[uqgx uqjy]T，TL＝[TL1 TL2]T，Jx＝Jgx+Jrr，Jy＝Jjy+Jgy·cos2θgx+Jgz·sin2θgx+Jrr·cos2θgx+Jrz·sin2θgx，忽略陀螺房转子径向运动的影响，DGVSCMG框架伺服系统的状态空间方程为：
Figure FDA0003585530510000027
其中，
Figure FDA0003585530510000028
Figure FDA0003585530510000029
Figure FDA0003585530510000031
Figure FDA0003585530510000032
θgx、
Figure FDA0003585530510000033
和
Figure FDA0003585530510000034
为内框架坐标系相对外框架坐标系转动的角位置、角速度和角加速度；θjy、
Figure FDA0003585530510000035
和
Figure FDA0003585530510000036
为外框架坐标系相对惯性坐标系转动的角位置、角速度和角加速度；Tegx,Tejy分别为内、外框架驱动电机的电磁力矩；uqgx,uqjy分别是内、外框架驱动电机定子电压的q轴分量；TL1,TL2分别为内、外框架驱动电机速度环的干扰力矩；Jrx,Jry,Jrz为陀螺房高速转子绕转子坐标系三轴的转动惯量，且Jrx＝Jry＝Jrr；Jgx,Jgy,Jgz为内框架系统绕内框架坐标系三轴的转动惯量；Jjy为外框架系统绕外框架坐标系y轴的转动惯量；Lqgx,Lqjy分别是内、外框架驱动电机的q轴电感分量；Rqgx,Rqjy分别是内、外框架驱动电机的定子电阻；Ktgx,Ktjy分别是内、外框架驱动电机的电磁力矩系数，且Tegx＝Ktgx·iqgx,Tejy＝Ktjy·iqjy；iqgx,iqjy分别是内、外框架驱动电机定子电流的q轴分量；Kegx,Kejy分别是内、外框架驱动电机的反电势系数，且Ktgx＝1.5·Kegx，Ktjy＝1.5·Kejy；α,β,γ、
Figure FDA0003585530510000037
和
Figure FDA0003585530510000038
为轴承转子坐标系相对定子坐标系三轴转动的角位置、角速度和角加速度；
Figure FDA0003585530510000039
为陀螺房转子的转速；Hrz＝Jrz·Ω为陀螺房转子的角动量；Tdx,Tdy为陀螺房转子动不平衡力矩在内环系x,y轴的分量；Tfgx,Tfjy分别为内、外框架伺服系统中的摩擦力矩；mdx,mdy为陀螺房转子的内环系x,y轴动不平衡质量分量；rmd为动不平衡质量块到陀螺房转轴的距离；hf为陀螺房转子的厚度；Udx＝mdxrmdhf,Udy＝mdyrmdhf为内环系x,y轴动不平衡量分量；
Figure FDA00035855305100000310
为动不平衡质量mdx,mdy在初始时刻的相位角；
Figure FDA00035855305100000311
为外框架作用于内框架伺服系统的耦合力矩；
Figure FDA00035855305100000312
Tcjy＝2·(Jgz+Jrz-Jgy-Jrr)·sinθgx·cosθgx·
Figure FDA00035855305100000313
为内框架作用于外框架伺服系统的耦合力矩；
Figure FDA00035855305100000314
cosθgx；由高速转子变速引起的干扰项
Figure FDA00035855305100000315
仅存在于飞轮工作模式下；Tl1＝Tcgx+Tfgx；Tl2＝Tcjy+Tfjy。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114415521B (zh) * 2022-03-25 2022-07-05 北京航空航天大学 一种谐波减速器驱动的框架系统抗干扰控制方法
CN116805848B (zh) * 2023-08-22 2023-11-10 北京大学 低转速工况下cmg框架伺服系统指定性能快速控制方法
CN116755344B (zh) * 2023-08-22 2023-12-05 北京大学 一种cmg框架伺服系统自适应抗未知高频振动的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008189235A (ja) * 2007-02-07 2008-08-21 Nec Toshiba Space Systems Ltd 姿勢変更制御方法、姿勢変更制御システム、姿勢変更制御プログラムおよびプログラム記録媒体
CN101301934A (zh) * 2008-04-22 2008-11-12 北京航空航天大学 一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统
CN102323825A (zh) * 2011-07-18 2012-01-18 北京航空航天大学 一种航天器机动时dgmscmg系统的力矩补偿控制方法
CN110456630A (zh) * 2019-08-22 2019-11-15 北京航空航天大学 一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法
CN112631318A (zh) * 2020-12-08 2021-04-09 北京航空航天大学 一种cmg框架伺服系统高次谐波干扰补偿控制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008189235A (ja) * 2007-02-07 2008-08-21 Nec Toshiba Space Systems Ltd 姿勢変更制御方法、姿勢変更制御システム、姿勢変更制御プログラムおよびプログラム記録媒体
CN101301934A (zh) * 2008-04-22 2008-11-12 北京航空航天大学 一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统
CN102323825A (zh) * 2011-07-18 2012-01-18 北京航空航天大学 一种航天器机动时dgmscmg系统的力矩补偿控制方法
CN110456630A (zh) * 2019-08-22 2019-11-15 北京航空航天大学 一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法
CN112631318A (zh) * 2020-12-08 2021-04-09 北京航空航天大学 一种cmg框架伺服系统高次谐波干扰补偿控制方法

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