[发明专利]一种航天器机动时DGMSCMG系统的力矩补偿控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航天器机动时双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double gimbal magnetically suspended control moment gyroscope，DGMSCMG)系统的力矩补偿控制方法，可以用于补偿航天器机动时DGMSCMG系统耦合干扰力矩的影响，实现对DGMSCMG系统的稳定性控制，进而提高航天器姿态控制的稳定性及精度。

背景技术

控制力矩陀螺是空间站等高精度、长寿命大型航天器的关键姿态执行机构，其中框架自由度和高速转子支承方式是决定控制力矩陀螺性能的两个最重要因素。双框架磁悬浮控制力矩陀螺由永磁偏置混合磁轴承支承的磁悬浮高速转子和内、外框架伺服系统组成。通过内、外框架的转动，强制高速转子角动量方向发生改变，对外输出陀螺力矩。双框架磁悬浮控制力矩陀螺综合了磁悬浮和双框架两方面优点，不仅满足高精度、长寿命要求，还可以减小姿控执行机构的体积和质量，是航天器实现高精度和快速机动的理想姿控执行机构。

由于航天器及框架在进行高动态响应时，航天器及框架运动引起的强耦合力矩作用在磁悬浮转子上，导致磁悬浮高速转子轴心跳动加大，稳定性显著降低甚至失稳；航天器姿态机动及转子的径向运动又对框架运动构成扰动，降低框架的响应速度，进而影响DGMSCMG的输出力矩精度；同时框架运动及转子的径向运动较大时也会降低航天器姿态控制的精度。基于DGMSCMG的航天器姿态控制中，必须对其耦合干扰力矩加以补偿和控制，以保障磁悬浮转子系统的稳定性，同时提高内外框架系统的响应速度，进而提高DGMSCMG的力矩输出精度。

航天器机动时DGMSCMG系统的动力学更加复杂，各单体间的耦合影响更加严重。第一，航天器机动时DGMSCMG系统中任一单体的动力学方程中均包含其他单体相对运动导致的耦合干扰力矩项，同时此单体的相对运动也将引起其他单体的相对运动，各单体的动力学间相互耦合；第二，由于DGMSCMG引入了有间隙的磁轴承支承，磁悬浮转子增加了五自由度运动，并且转子运动不仅取决于轴承力，同时还受框架及航天器运动的影响；第三，内、外框之间存在陀螺效应导致的动力学耦合，即内、外框互锁现象，且这种动力学耦合不仅取决于框架运动，还与航天器运动及磁悬浮转子的径向转动有关；第四，航天器机动时，DGMSCMG的陀螺耦合力矩与航天器角速度及内框角位移的余弦成正比，为非线性系统，增加了控制难度。

现有技术中，通过直接提高磁轴承控制中的闭环刚度可有效抑制耦合干扰力矩的影响，然而由于强耦合力矩对磁悬浮转子的扰动较大，相应要求磁轴承控制具有很高的闭环刚度，但磁轴承刚度过高容易导致磁悬浮转子不稳定，因而不适用；另外现有技术中还采用一种复合控制方法抑制静基座下DGMSCMG系统的动框架效应(参见“双框架磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应补偿方法”，机械工程学报，2010，46(2)：159-165)，但没有考虑航天器机动时DGMSCMG系统耦合干扰力矩的补偿，当航天器快速机动时对DGMSCMG系统的耦合干扰力矩较大，而复合控制的补偿精度不够，因而不能沿用；除此以外，机械支承的控制力矩陀螺不存在转子运动与其他单体的耦合问题，因而现有技术不能提供可借鉴的补偿方案。

发明内容

本发明的技术解决间题是：克服现有方法直接提高磁轴承的闭环刚度抑制耦合干扰力矩和静基座下对DGMSCMG动框架效应的复合补偿控制的缺陷，提出一种航天器机动时DGMSCMG系统的力矩补偿控制方法，能有效抑制磁悬浮转子位移加大，同时消除航天器及框架转动引起的磁悬浮转子对它们的反作用，以及消除两框间的运动学耦合，在保持磁悬浮高速转子稳定性的同时，提高了框架系统的响应速度和航天器姿态控制的稳定性和精度。

本发明的技术解决方案是：一种航天器机动时DGMSCMG系统的力矩补偿控制方法，包括下列步骤：

(1)建立航天器机动时DGMSCMG系统磁轴承x方向、磁轴承y方向、内框架轴和外框架轴的动力学模型分别为：