[发明专利]一种双框架磁悬浮CMG框架系统的高精度摩擦补偿控制方法

说明书

技术领域

本发明属于伺服系统控制领域，具体涉及一种双框架磁悬浮CMG(Control moment gyro)框架系统高精度摩擦补偿控制，用于实现框架伺服系统的高精度角速率跟踪控制，提高框架系统的扰动抑制能力，实现控制力矩陀螺高精度力矩输出。

背景技术

磁悬浮控制力矩陀螺是敏捷机动卫星等航天器实现姿态控制的关键执行机构。与单框架磁悬浮CMG相比，双框架磁悬浮CMG可以输出两个自由度的力矩，奇异问题不明显，使用个数少，是CMG发展的一个重要方向。双框架磁悬浮CMG主要由高速转子和内外框架伺服系统组成，其工作原理是框架转动强制改变高速转子角动量方向从而输出陀螺力矩。框架伺服系统角速率输出精度直接影响磁悬浮CMG输出力矩精度，因而实现对框架伺服系统高精度角速率跟踪控制具有重要意义。

双框架磁悬浮CMG的框架伺服系统是一个低速的速率伺服系统，非线性摩擦力矩是影响其低速伺服性能的主要因素。双框架磁悬浮CMG框架伺服系统的摩擦不同于一般伺服系统，其摩擦力矩随着框架角速率、角位置和高速转子转速的不同而变化，会引起系统跟踪误差、极限环及粘滞运动，增大了框架伺服系统高精度控制的难度。要实现框架系统高精度速率控制，必须克服非线性摩擦力矩等未知扰动力矩对框架系统伺服性能的影响。目前主要有两类补偿方法，即基于模型和不基于模型的补偿方法。

基于模型的摩擦补偿是根据系统的摩擦模型，选用合适的辨识方法离线或者在线辨识模型参数，对摩擦进行补偿控制。目前工程中常用的摩擦模型主要有Stribeck、Coulomb and stiction、LuGre、Generalized Maxwell-Slip等，但是单一模型不能完整描述摩擦的动态特性。对框架系统而言，基于模型的自适应补偿控制方法具有一定的局限性。首先由于陀螺效应的影响，框架系统的非线性摩擦力矩的建模及参数辨识更加复杂，如果采用经典的摩擦模型进行补偿，则不能完全反映框架系统的摩擦特性；其次自适应控制需要对摩擦模型的参数进行在线辨识，参数较多，过程较复杂，而且会占用大量的计算资源。

当系统的摩擦模型难以建立且存在严重的非线性时变特性时，传统的基于模型的鲁棒控制方法并不能取得良好的控制性能，因而不依赖于摩擦模型的控制方法逐渐得到了发展。智能控制应用其自学习能力，可以近似估计系统的未知动态。但是由于智能控制方法计算负担较重，不易工程实现。

时滞控制(Time Delay Control,TDC)是一种结构简单、易实现、不基于模型的扰动补偿控制方法，应用于很多伺服控制系统。TDC采用时滞估计器(Time Delay Estimation,TDE)根据系统的先验信息估计并补偿系统的未建模动态、参数摄动及外部扰动力矩。TDE是应用上一时刻的扰动作为下一时刻的扰动估计，时间间隔越小，估计误差就越小，但是实际系统的采样时间不可能无限小，TDE不可避免的存在估计误差，当存在不连续变化的扰动力矩时，估计误差会变大，因此TDC对连续变化的外部扰动力矩具有较好的抑制效果。由于TDE的局限性，单纯的TDC方法并不能满足框架伺服系统高精度控制的要求。因而为了提高系统对外部扰动力矩的鲁棒性，通常将TDC与滑模控制器、内模控制器等鲁棒控制器相结合，虽然系统鲁棒性有一定的提高，但是以上鲁棒控制方法需要在跟踪性能和鲁棒性能之间折衷，并不能实现跟踪性能和鲁棒性能的独立控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有方法的不足，提出了一种双框架磁悬浮CMG框架系统的高精度摩擦补偿控制方法。针对非线性摩擦力矩对双框架磁悬浮CMG框架伺服系统速率跟踪性能的影响，首先基于TDC方法对非线性摩擦进行补偿控制。为增强框架系统对外部扰动力矩的鲁棒性，以及针对TDC在实际系统中稳定性不易保证的问题，提出了TDC与两自由度内模控制器(Internal Model Controller,IMC)相结合的方法。该方法不仅提高了框架伺服系统的速率跟踪性能，而且增强了框架系统对非线性摩擦力矩的鲁棒性。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种双框架磁悬浮CMG框架系统的高精度摩擦补偿控制方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤(1)、建立双框架伺服系统的动力学模型

根据几何约束关系，应用欧拉动力学方程及矢量叠加原理，推导双框架磁悬浮控制力矩陀螺内、外框架伺服系统的动力学模型如下：