CN116755344B - 一种cmg框架伺服系统自适应抗未知高频振动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动的方法，包括：建立包含未知高频振动动态的控制力矩陀螺CMG框架伺服系统模型；设计带通滤波器‑二阶广义积分器‑锁频环，对未知高频振动的频率信息进行自适应估计，得到未知高频振动的频率估计值；设计谐波干扰观测器对未知高频振动的幅值和相位进行估计，实时反演获取未知高频振动信号及未知高频振动估计值；设计复合抗干扰控制器，对未知高频振动进行补偿，同时对未知高频振动估计误差和电机干扰进行抑制，实现CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动。本发明能够抑制CMG框架伺服系统在工作过程中受到的未知高频振动，提高系统控制精度，其抗干扰能力强和工程实用性强。
Description
技术领域
本发明属于伺服系统控制技术领域，具体涉及一种CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动的方法。
背景技术
控制力矩陀螺（CMG）是现代航天器主要执行机构结构之一，被广泛应用于大型航天器以及敏捷机动卫星的姿态控制系统中，例如美国的国际空间站，我国的天和核心舱、法国的Pleiades卫星。CMG一般由高速旋转的转子系统与低速旋转的框架伺服系统组成，其中高速转子系统产生角动量，通过低速框架伺服系统改变角动量的方向生成陀螺力矩用于航天器姿态稳定或者机动。从CMG工作原理可以看出其性能主要取决于框架伺服系统的转速跟踪能力，然而转速系统在高速旋转工作时不可避免生成高频的动不平衡振动，恶化框架伺服系统的控制性能。另外，框架伺服系统的驱动电机也会生成与框架转速相关的干扰，造成转速性能下降。因此，为了保证CMG力矩输出能力以及航天器的高性能姿态控制能力，有必要对CMG框架伺服系统的高频振动和电机干扰进行处理。
目前已有的算法（如传统内模控制或基于干扰观测器的控制方法）大多假设高频振动的频率信息可精确获取，但在实际工程中转子系统霍尔转速测量传感器的安装受到很多限制，并且在极端情况下霍尔转速测量传感器可能会失效，难以准确获得高频振动的频率信息，对高频振动的精准补偿和抑制带来挑战。例如，论文《基于复合干扰观测器的控制力矩陀螺框架转速高精度控制》认为转子系统动不平衡产生的高频振动与转子同频且可精确获取频率信息，并基于此设计复合干扰观测器对高频振动进行估计。类似地，论文《一种CMG框架伺服系统的改进自抗扰控制策略》利用高频振动的频率信息设计了一种改进扩张状态观测器，此方法依赖于高频振动频率信息可精确获取的前提。综上所述，现有技术难以实现未知高频振动影响下的CMG框架伺服系统的高精度控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对受到未知高频振动影响的CMG框架伺服系统，提供CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动方法，抑制CMG框架伺服系统在工作过程中受到的未知高频振动，提高CMG框架伺服系统控制精度，该方法具有抗干扰能力强和工程实用性强等优点。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动方法。具体包括以下步骤：
第一步，建立包含未知高频振动动态的CMG框架伺服系统模型；
第二步，基于第一步构建的CMG框架伺服系统模型，设计带通滤波器-二阶广义积分器-锁频环，用于对未知高频振动的频率信息进行自适应估计，得到未知高频振动的频率估计值；
第三步，根据第二步获得的未知高频振动频率估计值，设计谐波干扰观测器对未知高频振动的幅值和相位进行估计，实时反演获取未知高频振动信号，得到未知高频振动的估计值；
第四步，基于第三步获得的未知高频振动的估计值设计复合抗干扰控制器，对未知高频振动进行补偿，同时对未知高频振动估计误差和电机干扰进行抑制，保证CMG框架转速高精度跟踪能力，完成CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动方法。
其实施步骤如下：
第一步，建立包含未知高频振动动态的CMG框架伺服系统模型：
其中，，/>分别为定子电流/>，/>轴分量；/>，/>分别为定子电压/>，/>轴分量；，/>分别为定子/>，/>轴电感；/>为定子电阻；/>为CMG框架伺服系统实际转速；为磁极对数；为转子磁链；/>为CMG框架伺服系统转动惯量；/>为CMG框架伺服系统的阻尼系数；/>，，/>分别为/>轴电流分量、/>轴电流分量、框架转速对时间的一阶导数；/>为电机输出的电磁转矩；/>为控制力矩陀螺框架伺服系统的总干扰；/>为未知高频振动信号；/>为电机干扰；状态/>；矩阵/>；矩阵/>；/>为未知高频振动的频率值。
第二步，设计带通滤波器-二阶广义积分器-锁频环对未知高频振动的频率信息进行自适应估计：
带通滤波器传递函数：
二阶广义积分器状态空间表达式：
锁频环表达式：
其中为CMG框架伺服系统实际转速，也是带通滤波器/>的输入信号；/>为包含未知高频振动信号频率信息的转速信号，是带通滤波器/>的输出信号，也是二阶广义积分器的输入信号，包含未知高频振动同频的转速信号；/>为带通滤波器/>的增益；/>为带通滤波器/>的品质系数；/>为拉氏变换算子；/>为带通滤波器/>的峰值频率；/>和/>为二阶广义积分器的状态；/>和/>为/>和/>的一阶时间导数；/>为二阶广义积分器的输出；/>为/>的估计值；/>为二阶广义积分器的增益；/>为锁频环的输入；/>为/>信号的频率估计值，也为锁频环的输出；/>为/>的一阶时间导数；/>为锁频环的增益。
第三步，根据第二步获取的未知高频振动频率估计值设计谐波干扰观测器对未知高频振动的幅值和相位进行估计，实时反演获取未知高频振动信号，得到未知高频振动的估计值：
首先，根据未知高频振动的频率估计值对未知高频振动模型进行修改：
其中，为未知高频振动信号；状态为/>；矩阵/>；矩阵；/>为未知高频振动的频率估计值；
然后，设计谐波干扰观测器设计谐波干扰观测器对未知高频振动的幅值和相位进行估计，实时反演获取未知高频振动信号：
其中，为/>的估计值；/>为谐波干扰观测器的状态，/>为/>的一阶时间导数；/>为CMG框架伺服系统实际转速；/>为谐波干扰观测器增益；/>为未知高频振动/>的估计值；/>为CMG框架伺服系统/>轴电流；/>为CMG框架伺服系统的阻尼系数；/>为CMG框架伺服系统的转动惯量。
第四步，基于第三步获得的未知高频振动的估计值设计复合抗干扰控制器，对未知高频振动进行补偿，同时对未知高频振动估计误差和电机干扰进行抑制，保证CMG框架转速高精度跟踪能力，完成CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动方法：
其中，为所设计的复合抗干扰控制器；/>为CMG框架伺服系统期望转速；/>为CMG框架伺服系统实际转速；/>为磁极对数；/>为转子磁链；/>为比例积分反馈控制器。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的上述CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动方法，针对一类性能受到转子动不平衡产生的未知高频振动影响的CMG框架伺服系统，通过设计具有自适应振动频率能力的复合抗干扰控制策略，实现未知高频振动的自适应估计与补偿，满足CMG低转速框架伺服系统的高精度需求。首先，建立包含未知高频振动动态的CMG框架伺服系统模型；其次，设计带通滤波器-二阶广义积分器-锁频环对未知高频振动的频率进行自适应估计；然后，根据频率估计值设计谐波干扰观测器对未知高频振动的幅值和相位进行估计；最后，基于获得的未知高频振动估计值设计复合抗干扰控制器，对未知高频振动进行补偿，同时对未知高频振动估计误差和电机干扰进行抑制，保证CMG框架转速高精度跟踪能力，完成CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动方法。本发明通过基于二阶广义积分器-锁频环和谐波干扰观测器实现对未知高频振动的频率、幅值和相位进行自适应估计，并与比例积分反馈控制器进行复合，增强了CMG框架伺服系统的自适应能力和抗干扰能力，保证了CMG框架伺服系统的高精度需求，可解决受制于未知高频振动的CMG框架伺服系统中的高精度控制问题。另外，本方法也可应用于其它受到未知周期性干扰的高精度伺服系统，如数控机床、机器人、雷达系统等。该方法具有抗干扰能力强和工程实用性强等优点。
本发明可以实现了对未知周期性干扰的精准估计，增强了CMG框架伺服系统的抗干扰能力和环境适应能力，保证了CMG框架伺服系统的高精度控制需求，可解决受制于未知高频振动的CMG框架伺服系统中的高精度控制问题。另外，本发明方法也可应用于其他受到未知周期性干扰的伺服系统，如数控机床、机器人、雷达系统等。该方法具有抗干扰能力强和工程实用性强等优点。
附图说明
图1为本发明的CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动方法的流程框图。
图2为本发明的CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动方法实现系统的结构框图。
图3为本发明实施例采用的带通滤波器-二阶广义积分器-锁频环的结构示意图。
图4为基于本发明方法的CMG框架伺服系统的转速跟踪性能图。
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。
本发明提出的CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动方法步骤为：
本发明流程图如图1所示，首先，建立包含未知高频振动动态的CMG框架伺服系统模型；其次，设计带通滤波器-二阶广义积分器-锁频环对未知高频振动的频率信息进行自适应估计；然后，设计谐波干扰观测器对未知高频振动的幅值和相位进行估计，实时反演获取未知高频振动信号；最后，设计复合抗干扰控制器对未知高频振动进行补偿，同时对未知高频振动估计误差和电机干扰进行抑制，保证CMG框架转速高精度跟踪能力。对应的CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动方法如图2所示
具体实施步骤如下：
第一步，建立包含未知高频振动动态的CMG框架伺服系统模型：
其中，，/>分别为定子电流/>，/>轴分量；/>，/>分别为定子电压/>，/>轴分量；，/>分别为定子/>，/>轴电感；/>为定子电阻；/>为CMG框架伺服系统实际转速；为磁极对数；为转子磁链；/>为CMG框架伺服系统转动惯量；/>为CMG框架伺服系统的阻尼系数；/>，，/>分别为/>轴电流分量、/>轴电流分量、框架转速对时间的一阶导数；/>为电机输出的电磁转矩；/>为控制力矩陀螺框架伺服系统的总干扰；/>为未知高频振动信号；/>为电机干扰；状态/>；矩阵/>；矩阵/>；/>为未知高频振动的频率值。取值如表1：
表1： CMG框架伺服系统参数取值
第二步，设计带通滤波器-二阶广义积分器-锁频环对未知高频振动的频率信息进行自适应估计（如图3所示）：
带通滤波器传递函数：
二阶广义积分器状态空间表达式：
锁频环表达式：
其中为CMG框架伺服系统实际转速，也是带通滤波器/>的输入信号；/>为包含未知高频振动信号频率信息的转速信号，是带通滤波器/>的输出信号，也是二阶广义积分器的输入信号，包含未知高频振动同频的转速信号；/>为带通滤波器/>的增益；/>为带通滤波器/>的品质系数；/>为拉氏变换算子；/>为带通滤波器/>的峰值频率；/>和/>为二阶广义积分器的状态；/>和/>为/>和/>的一阶时间导数；/>为二阶广义积分器的输出；/>为/>的估计值；/>为二阶广义积分器的增益；/>为锁频环的输入；/>为/>信号的频率估计值，也为锁频环的输出；/>为/>的一阶时间导数；/>为锁频环的增益。其中，取值如表2：
表2带通滤波器-二阶广义积分器-锁频环参数取值
第三步，根据第二步获取的频率估计值设计谐波干扰观测器对未知高频振动的幅值和相位进行估计，实时反演获取未知高频振动信号：
首先，根据未知高频振动的频率估计值对未知高频振动模型进行修改：
其中为未知高频振动信号；状态为/>；矩阵/>；矩阵；/>为未知高频振动的频率估计值；
然后，设计谐波干扰观测器对未知高频振动的幅值和相位进行估计，实时反演获取未知高频振动信号：
其中，为/>的估计值；/>为谐波干扰观测器的状态，/>为/>的一阶时间导数；/>为CMG框架伺服系统实际转速；/>为谐波干扰观测器增益，取值为/>；/>为未知高频振动/>的估计值；/>为CMG框架伺服系统/>轴电流；/>为CMG框架伺服系统的阻尼系数；/>为CMG框架伺服系统的转动惯量。
第四步，基于第三步获得的未知高频振动信号估计值设计复合抗干扰控制器，对未知高频振动进行补偿，同时对未知高频振动估计误差和电机干扰进行抑制，保证CMG框架转速高精度跟踪能力，完成CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动方法：
其中，为CMG框架伺服系统期望转速，取值为0.1度/秒；/>为CMG框架伺服系统实际转速；/>为磁极对数；/>为转子磁链；/>为比例积分反馈控制器，取值为。
基于本发明设计的CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动方法的转速跟踪曲线如图4所示，表明本发明可以自适应未知高频振动的频率信息，且实际框架转速可以精准期望框架转速。
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。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (2)
1.一种CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动的方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步，建立包含未知高频振动动态的控制力矩陀螺CMG框架伺服系统模型；
第二步，基于第一步构建的CMG框架伺服系统模型，设计带通滤波器-二阶广义积分器-锁频环，用于对未知高频振动的频率信息进行自适应估计，得到未知高频振动的频率估计值；
带通滤波器传递函数表示为：
二阶广义积分器状态空间表达式为：
锁频环表达式为：
其中，为CMG框架伺服系统实际转速，是带通滤波器/>的输入信号；/>为包含未知高频振动信号频率信息的转速信号，是带通滤波器/>的输出信号，也是二阶广义积分器的输入信号，包含未知高频振动同频的转速信号；/>为带通滤波器/>的增益；/>为带通滤波器/>的品质系数；/>为拉氏变换算子；/>为带通滤波器/>的峰值频率；/>和/>为二阶广义积分器的状态；/>和/>为/>和/>的一阶时间导数；/>为/>的估计值；/>为二阶广义积分器的增益；/>为锁频环的输入；/>为/>信号的频率估计值，也为锁频环的输出；/>为/>的一阶时间导数；/>为锁频环的增益；
第三步，根据第二步获得的未知高频振动频率估计值，设计谐波干扰观测器对未知高频振动的幅值和相位进行估计，实时反演获取未知高频振动信号，得到未知高频振动的估计值；包括：
首先，根据未知高频振动的频率估计值对未知高频振动模型进行修改，表示为：
其中，为未知高频振动信号；状态为/>；矩阵/>；/>为未知高频振动的频率估计值；
然后，设计谐波干扰观测器设计谐波干扰观测器对未知高频振动的幅值和相位进行估计，实时反演获取未知高频振动信号，表示为：
其中，为/>的估计值；/>为谐波干扰观测器的状态，/>为/>的一阶时间导数；矩阵；/>为CMG框架伺服系统实际转速；/>为谐波干扰观测器增益；/>为未知高频振动/>的估计值；/>为CMG框架伺服系统/>轴电流；/>为CMG框架伺服系统的阻尼系数；/>为CMG框架伺服系统的转动惯量；
第四步，基于第三步获得的未知高频振动的估计值设计复合抗干扰控制器对未知高频振动进行补偿，同时对未知高频振动估计误差和电机干扰进行抑制，保证CMG框架转速高精度跟踪能力；设计的复合抗干扰控制器表示为：
其中，为CMG框架伺服系统期望转速；/>为CMG框架伺服系统实际转速；/>为磁极对数；/>为转子磁链；/>为比例积分控制器。
2.如权利要求1所述CMG框架伺服系统自适应抗未知高频振动的方法，其特征是，第一步包含未知高频振动动态的CMG框架伺服系统模型表示为：
其中，，/>分别为定子电流/>，/>轴分量；/>，/>分别为定子电压/>，/>轴分量；/>，/>分别为定子/>，/>轴电感；/>为定子电阻；/>为CMG框架伺服系统实际转速；/>为磁极对数；/>为转子磁链；/>为CMG框架伺服系统转动惯量；/>为CMG框架伺服系统的阻尼系数；/>，/>，/>分别为/>轴电流分量、/>轴电流分量、框架转速对时间的一阶导数；/>为电机输出的电磁转矩；/>为控制力矩陀螺框架伺服系统的总干扰；/>为未知高频振动信号；为电机干扰；状态/>；矩阵/>；矩阵/>；/>为未知高频振动的频率值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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