一種基于磁懸浮控制敏感陀螺的衛星單軸測控一體化方法技術

本發明專利技術涉及一種基于磁懸浮控制敏感陀螺的衛星單軸測控一體化方法。通過磁懸浮控制敏感陀螺檢測高頻小幅值擾動下衛星的姿態角速度，使用中心陷波頻率隨擾動頻率變化的自適應陷波器，對高頻小幅值擾動產生的姿態角速度進行辨識和去除，計算出補償擾動所需補償力矩，根據相應的姿態控制律，計算出姿控所需的磁懸浮轉子徑向控制力矩，結合擾動抑制和姿態控制，設計出磁懸浮轉子的一體化操縱律，使轉子旋轉軸偏轉輸出所需的徑向二自由度微框架效應力矩，從而實現衛星單軸的高精度姿態控制和擾動抑制。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種基于磁懸浮控制敏感陀螺的衛星單軸測控一體化方法，適用于衛星的高精度姿態測量與控制。技術背景隨著高分辨率對地觀測技術的發展，對衛星姿態控制和振動抑制的要求越來越高。傳統姿控系統的檢測和控制是分離的，整個姿態控制系統是一個單閉環的結構，姿控系統的帶寬有限。因此，對于衛星的高頻小幅擾動，現有姿控系統很難進行抑制。此外，現有姿態控制系統的檢測與控制分離，再加上衛星本身的撓性結構，這就必然導致異位控制問題，從而不可避免地影響整個姿態控制系統的穩定性和魯棒性。為了解決上述問題，鄭世強通過雙框架磁懸浮控制力矩陀螺，將力矩執行和姿態測量結合起來，但此研究將測量和控制分時復用，磁懸浮控制力矩陀螺某一時刻只能工作在一種狀態，測量和控制未能同時進行；劉彬提出了一種磁懸浮陀螺飛輪的設計方案，磁懸浮陀螺飛輪雖然控制和測量可以同時進行，但這種方法并沒有得到三軸姿態角速度的解析表達式，不僅實用性不強，而且不便于從機理上分析姿態角速度與系統參數之間的關系。磁懸浮控制敏感陀螺是一種融合了角速率陀螺速率檢測和慣性執行機構力矩輸出雙重功能，集姿態敏感與控制、振動檢測與抑制于一體的多功能新概念慣性機構。正是由于磁懸浮控制敏感陀螺的引入，一改現有姿控系統的大閉環結構，將其拓撲為三閉環姿控結構。各環針對不同的被控對象，以不同的控制帶寬，分別對平臺姿態、平臺振動和陀螺自身振動，進行三環融合控制。突破了現有單閉環姿態系統，控制穩定度有限，無法進行主動振動控制的局限，使衛星的高穩定度和超靜控制成為可能。
技術實現思路
本專利技術的技術解決問題是：為了克服現有衛星無法抑制高頻小幅值擾動，并且姿控系統由于檢測和控制不共位導致的異位控制等問題，提出了一種基于磁懸浮控制敏感陀螺的衛星單軸測控一體化方法。該方法通過微框架效應力矩不僅可以抑制衛星的高頻小幅值擾動，而且可以進行姿態的高精度控制，實現了姿態檢測、擾動抑制和姿態控制的一體化，為衛星的高精度姿態控制提供了一種全新的技術途徑。本專利技術的技術解決方案是：通過磁懸浮控制敏感陀螺檢測高頻小幅值擾動下衛星的姿態角速度，使用中心陷波頻率隨擾動頻率變化的自適應陷波器，對高頻小幅值擾動產生的姿態角速度進行辨識和去除，計算出補償擾動所需補償力矩，根據相應的姿態控制律，計算出姿控所需的磁懸浮轉子徑向控制力矩，結合擾動抑制和姿態控制，設計出磁懸浮轉子的一體化操縱律，使轉子旋轉軸偏轉輸出所需的徑向二自由度微框架效應力矩，從而實現衛星單軸的高精度姿態檢測、控制和擾動抑制，具體包括以下步驟：(1)根據剛體動力學和坐標變換原理磁懸浮轉子動力學方程為： M r = H · r + ω ir r × H r ]]>其中：Hr＝IΩi H · r = I Ω · i ]]> Ω i = Ω r + ω ir r ]]> I I r 0 0 0 I z 0 0 0 I r , Ω r = 0 Ω 0 ]]> ω ir r = ω rf r + ω icmg r = C f r ω rf f + C f r C g f C g f C cmg g ω icmg cmg ]]> ω icmg cmg = C b cmg ω ib b + ω cmg ]]>式中，Mr表示磁懸浮轉子合外力矩，Hr表示在轉子系下轉子的角動量，表示在轉子系下轉子的角動量，I表示轉子繞磁懸浮控制敏感陀螺參考坐標系旋轉的轉動慣量，Ir表示轉子徑向轉動慣量，Iz表示轉子軸向轉動慣量，Ω表示轉子本文檔來自技高網...

【技術保護點】
本專利技術涉及一種基于磁懸浮控制敏感陀螺的衛星單軸測控一體化方法，通過磁懸浮控制敏感陀螺檢測高頻小幅值擾動下衛星的姿態角速度，使用中心陷波頻率隨擾動頻率變化的自適應陷波器，對高頻小幅值擾動產生的姿態角速度進行辨識和去除，計算出補償擾動所需補償力矩，并根據相應的姿態控制律，計算出姿控所需的磁懸浮轉子徑向控制力矩，結合擾動抑制和姿態控制，設計出磁懸浮轉子的一體化操縱律，使轉子旋轉軸偏轉輸出所需的徑向二自由度微框架效應力矩，從而實現衛星單軸的姿態控制和擾動抑制，具體包括以下步驟：(1)根據剛體動力學和坐標變換原理磁懸浮轉子動力學方程為：Mr=H·r+ωirr×Hr]]>其中：Hr＝IΩiH·r=IΩ·i]]>Ωi=Ωr+ωirr]]>I=Ir000Iz000Ir,Ωr=0Ω0]]>ωirr=ωrfr+ωicmgr=Cfrωrff+CfrCgfCcmggωicmgcmg]]>ωicmgcmg=Cbcmgωibb+ωcmg]]>式中，Mr表示磁懸浮轉子合外力矩，Hr表示在轉子系下轉子的角動量，表示在轉子系下轉子的角動量，I表示轉子繞磁懸浮控制敏感陀螺參考坐標系旋轉的轉動慣量，Ir表示轉子徑向轉動慣量，Iz表示轉子軸向轉動慣量，Ω表示轉子軸向轉速，Ωr表示轉子轉速，Ωi表示轉子的絕對角速度，表示轉子的絕對角速度變化率，表示轉子坐標系的絕對角速度，即相對于慣性空間的轉速，表示轉子相對磁軸承的偏轉速度，為磁懸浮控制敏感陀螺參考系相對于慣性空間的速度，為轉子相對于慣性空間的角速度，ωcmg為框架角速度，為磁軸承坐標系到轉子坐標系的變換矩陣，為框架坐標系到磁軸承坐標系的變換矩陣，為磁懸浮控制敏感陀螺參考系到框架坐標系的變換矩陣，為星體系到磁懸浮控制敏感陀螺參考系的變換矩陣；在磁軸承安裝系、框架坐標系、磁懸浮控制敏感陀螺參考系重合和衛星僅有單軸角速率ωibb=ωibxb00T]]>的條件下：ωirr=ωrfr+ωicmgr=Cfrωrff+Cfrωicmgcmg]]>α、β非常小，又ωicmgcmg=ωibxb00,ωrff=α·0β·,ωirr=ωibxb+α·0β·,]]>則：Ωi=ωibxb+α·Ωβ·,Hr=Ir(ωibxb+α·)IzΩIrβ·,H·r=Ir(ω·ibxb+α··)0Irβ··,=MrIrω·ibxb+Irα··-β·IzΩ0α·IzΩ+IzΩωibxb+Irβ··]]>轉子徑向合外力矩表達式為：Mxr=Irω·ibxb+Irα··-β·IzΩ,Mzr=α·IzΩ+IzΩωibxb+Irβ··]]>磁懸浮轉子所受合外力矩為：Mxr=lm(fby-fay),Mzr=lm(fax-fbx)]]>磁懸浮轉子所受磁力可表示成如下線性形式：fλ＝kiλiλ+khλhλ(λ＝ax，ay，bx，by)式中，kiλ和khλ(λ＝ax，ay，bx，by)分別表示磁懸浮轉子的徑向ax、ay、bx和by通道的電流剛度和位移剛度，可以通過實驗標定；iax、ibx、iay和iby是四個徑向通道的繞組電流，hax、hbx、hay和hby是磁懸浮轉子分別在ax、bx、ay和by方向上的線性位移量，lm表示從磁懸浮轉子中心到徑向磁軸承中心...

【技術特征摘要】
1.本發明涉及一種基于磁懸浮控制敏感陀螺的衛星單軸測控一體化方
法，通過磁懸浮控制敏感陀螺檢測高頻小幅值擾動下衛星的姿態角速度，使
用中心陷波頻率隨擾動頻率變化的自適應陷波器，對高頻小幅值擾動產生的
姿態角速度進行辨識和去除，計算出補償擾動所需補償力矩，并根據相應的
姿態控制律，計算出姿控所需的磁懸浮轉子徑向控制力矩，結合擾動抑制和
姿態控制，設計出磁懸浮轉子的一體化操縱律，使轉子旋轉軸偏轉輸出所需
的徑向二自由度微框架效應力矩，從而實現衛星單軸的姿態控制和擾動抑
制，具體包括以下步驟：
(1)根據剛體動力學和坐標變換原理磁懸浮轉子動力學方程為：
M r = H · r + ω ir r × H r ]]>其中：
Hr＝IΩi H · r = I Ω · i ]]> Ω i = Ω r + ω ir r ]]> I = I r 0 0 0 I z 0 0 0 I r , Ω r = 0 Ω 0 ]]> ω ir r = ω rf r + ω icmg r = C f r ω rf f + C f r C g f C cmg g ω icmg cmg ]]> ω icmg cmg = C b cmg ω ib b + ω cmg ]]>式中，Mr表示磁懸浮轉子合外力矩，Hr表示在轉子系下轉子的角動量，表示在轉子系下轉子的角動量，I表示轉子繞磁懸浮控制敏感陀螺參考坐標
系旋轉的轉動慣量，Ir表示轉子徑向轉動慣量，Iz表示轉子軸向轉動慣量，Ω
表示轉子軸向轉速，Ωr表示轉子轉速，Ωi表示轉子的絕對角速度，表示轉
子的絕對角速度變化率，表示轉子坐標系的絕對角速度，即相對于慣性空
間的轉速，表示轉子相對磁軸承的偏轉速度，為磁懸浮控制敏感陀螺

\t參考系相對于慣性空間的速度，為轉子相對于慣性空間的角速度，ωcmg為
框架角速度，為磁軸承坐標系到轉子坐標系的變換矩陣，為框架坐標
系到磁軸承坐標系的變換矩陣，為磁懸浮控制敏感陀螺參考系到框架坐
標系的變換矩陣，為星體系到磁懸浮控制敏感陀螺參考系的變換矩陣；
在磁軸承安裝系、框架坐標系、磁懸浮控制敏感陀螺參考系重合和衛星
僅有單軸角速率 ω ib b = ω ibx b 0 0 T ]]>的條件下：
ω ir r = ω rf r + ω icmg r = C f r ω rf f + C f r ω icmg cmg ]]>α、β非常小，又 ω icmg cmg = ω ibx b 0 0 , ω rf f = α · 0 β · , ω ir r = ω ibx b + α · 0 β · , ]]>則：
Ω i = ω ibx b + α · Ω β · , H r = I r ( ω ibx b + α · ) I z Ω I r β · , H · r = I r ( ω · ibx b + α · · ) 0 I r β · · , = M r I r ω · ibx b + I r α · · - β · I z Ω 0 α · I z Ω + I z Ω ω ibx b + I r β ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：任元，王平，陳曉岑，姚紅，王衛杰，趙玉龍，田希暉，蔡遠文，王華，安娜，
申請(專利權)人：中國人民解放軍裝備學院，
類型：發明
國別省市：北京;11