一種雙框架磁懸浮cmg框架系統(tǒng)的高精度摩擦補(bǔ)償控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于伺服系統(tǒng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種雙框架磁懸浮CMG (Control moment gyro)框架系統(tǒng)高精度摩擦補(bǔ)償控制，用于實(shí)現(xiàn)框架伺服系統(tǒng)的高精度角速率跟蹤控制，提 高框架系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制能力，實(shí)現(xiàn)控制力矩陀螺高精度力矩輸出。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁懸浮控制力矩陀螺是敏捷機(jī)動(dòng)衛(wèi)星等航天器實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)。與 單框架磁懸浮CMG相比，雙框架磁懸浮CMG可以輸出兩個(gè)自由度的力矩，奇異問(wèn)題不明顯， 使用個(gè)數(shù)少，是CMG發(fā)展的一個(gè)重要方向。雙框架磁懸浮CMG主要由高速轉(zhuǎn)子和內(nèi)外框架伺 服系統(tǒng)組成，其工作原理是框架轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)制改變高速轉(zhuǎn)子角動(dòng)量方向從而輸出陀螺力矩?？?架伺服系統(tǒng)角速率輸出精度直接影響磁懸浮CMG輸出力矩精度，因而實(shí)現(xiàn)對(duì)框架伺服系統(tǒng) 高精度角速率跟蹤控制具有重要意義。
[0003] 雙框架磁懸浮CMG的框架伺服系統(tǒng)是一個(gè)低速的速率伺服系統(tǒng)，非線性摩擦力矩 是影響其低速伺服性能的主要因素。雙框架磁懸浮CMG框架伺服系統(tǒng)的摩擦不同于一般伺 服系統(tǒng)，其摩擦力矩隨著框架角速率、角位置和高速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的不同而變化，會(huì)引起系統(tǒng)跟 蹤誤差、極限環(huán)及粘滯運(yùn)動(dòng)，增大了框架伺服系統(tǒng)高精度控制的難度。要實(shí)現(xiàn)框架系統(tǒng)高精 度速率控制，必須克服非線性摩擦力矩等未知擾動(dòng)力矩對(duì)框架系統(tǒng)伺服性能的影響。目前 主要有兩類補(bǔ)償方法，即基于模型和不基于模型的補(bǔ)償方法。
[0004] 基于模型的摩擦補(bǔ)償是根據(jù)系統(tǒng)的摩擦模型，選用合適的辨識(shí)方法離線或者在 線辨識(shí)模型參數(shù)，對(duì)摩擦進(jìn)行補(bǔ)償控制。目前工程中常用的摩擦模型主要有stribeck、 Coulomb and stiction、LuGre、Generalized Maxwell-Slip 等，但是單一模型不能完整描 述摩擦的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)框架系統(tǒng)而言，基于模型的自適應(yīng)補(bǔ)償控制方法具有一定的局限性。 首先由于陀螺效應(yīng)的影響，框架系統(tǒng)的非線性摩擦力矩的建模及參數(shù)辨識(shí)更加復(fù)雜，如果 采用經(jīng)典的摩擦模型進(jìn)行補(bǔ)償，則不能完全反映框架系統(tǒng)的摩擦特性；其次自適應(yīng)控制需 要對(duì)摩擦模型的參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)，參數(shù)較多，過(guò)程較復(fù)雜，而且會(huì)占用大量的計(jì)算資源。
[0005] 當(dāng)系統(tǒng)的摩擦模型難以建立且存在嚴(yán)重的非線性時(shí)變特性時(shí)，傳統(tǒng)的基于模型的 魯棒控制方法并不能取得良好的控制性能，因而不依賴于摩擦模型的控制方法逐漸得到了 發(fā)展。智能控制應(yīng)用其自學(xué)習(xí)能力，可以近似估計(jì)系統(tǒng)的未知?jiǎng)討B(tài)。但是由于智能控制方 法計(jì)算負(fù)擔(dān)較重，不易工程實(shí)現(xiàn)。
[0006] 時(shí)滯控制（Time Delay Control, TDC)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、不基于模型 的擾動(dòng)補(bǔ)償控制方法，應(yīng)用于很多伺服控制系統(tǒng)。TDC采用時(shí)滯估計(jì)器（Time Delay Estimation，TDE)根據(jù)系統(tǒng)的先驗(yàn)信息估計(jì)并補(bǔ)償系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)、參數(shù)攝動(dòng)及外部擾 動(dòng)力矩。TDE是應(yīng)用上一時(shí)刻的擾動(dòng)作為下一時(shí)刻的擾動(dòng)估計(jì)，時(shí)間間隔越小，估計(jì)誤差就 越小，但是實(shí)際系統(tǒng)的采樣時(shí)間不可能無(wú)限小，TDE不可避免的存在估計(jì)誤差，當(dāng)存在不連 續(xù)變化的擾動(dòng)力矩時(shí)，估計(jì)誤差會(huì)變大，因此TDC對(duì)連續(xù)變化的外部擾動(dòng)力矩具有較好的 抑制效果。由于TDE的局限性，單純的TDC方法并不能滿足框架伺服系統(tǒng)高精度控制的要 求。因而為了提高系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)力矩的魯棒性，通常將TDC與滑?？刂破?、內(nèi)?？刂破鞯?魯棒控制器相結(jié)合，雖然系統(tǒng)魯棒性有一定的提高，但是以上魯棒控制方法需要在跟蹤性 能和魯棒性能之間折衷，并不能實(shí)現(xiàn)跟S示性能和魯棒性能的獨(dú)立控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為：克服現(xiàn)有方法的不足，提出了一種雙框架磁懸浮 CMG框架系統(tǒng)的高精度摩擦補(bǔ)償控制方法。針對(duì)非線性摩擦力矩對(duì)雙框架磁懸浮CMG框架 伺服系統(tǒng)速率跟蹤性能的影響，首先基于TDC方法對(duì)非線性摩擦進(jìn)行補(bǔ)償控制。為增強(qiáng)框 架系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)力矩的魯棒性，以及針對(duì)TDC在實(shí)際系統(tǒng)中穩(wěn)定性不易保證的問(wèn)題，提 出了 TDC與兩自由度內(nèi)?？刂破鳎↖nternal Model Controller, IMC)相結(jié)合的方法。該方 法不僅提高了框架伺服系統(tǒng)的速率跟蹤性能，而且增強(qiáng)了框架系統(tǒng)對(duì)非線性摩擦力矩的魯 棒性。
[0008] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是：一種雙框架磁懸浮CMG框架系統(tǒng)的 高精度摩擦補(bǔ)償控制方法，其特征在于包括下列步驟：
[0009] 步驟（1)、建立雙框架伺服系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型
[0010] 根據(jù)幾何約束關(guān)系，應(yīng)用歐拉動(dòng)力學(xué)方程及矢量疊加原理，推導(dǎo)雙框架磁懸浮控 制力矩陀螺內(nèi)、外框架伺服系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型如下：
[0011]
[0012] 其中，色為外框軸相對(duì)慣性系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率；P為內(nèi)框軸相對(duì)外框系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速 率，Gg為內(nèi)框軸相對(duì)外框系轉(zhuǎn)動(dòng)角位置，A為外框軸相對(duì)慣性系的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速率為內(nèi) 框軸相對(duì)外框系的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速率，I、走:分別為高速轉(zhuǎn)子x、y方向的扭轉(zhuǎn)速度，i、I分別 為高速轉(zhuǎn)子x、y方向的扭轉(zhuǎn)加速度，札2為高速轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量，Tgx和T jy分別為內(nèi)、外框架電 機(jī)的輸出力矩，Kigx和K Uy分別為內(nèi)、外框架電機(jī)的力矩系數(shù)，i gx和i #分別為內(nèi)、外框架電 機(jī)繞組電流；1^為作用在內(nèi)框架轉(zhuǎn)動(dòng)軸的非線性摩擦力矩，Tfy為作用在外框架轉(zhuǎn)動(dòng)軸的非 線性摩擦力矩，J jy為外框架輸出力矩方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J gx、Jgy、Jgz分別為內(nèi)框架對(duì)內(nèi)框坐 標(biāo)系相應(yīng)各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J"為尚速轉(zhuǎn)子徑向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，W x和《^分別為內(nèi)、外框架系統(tǒng) 的未知擾動(dòng)力矩；
[0013] 由于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)被限制在保護(hù)間隙內(nèi)，而且高速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速f >>#、J"〈Jn， Jn為高速轉(zhuǎn)子軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而忽略轉(zhuǎn)子徑向運(yùn)動(dòng)的影響，得到內(nèi)、外框架系統(tǒng)的簡(jiǎn)化 動(dòng)力學(xué)模型如下：
[0014]
[0015] 由上式可知，影響框架系統(tǒng)伺服精度的主要因素是陀螺耦合力矩和非線性摩擦力 矩，陀螺耦合力矩可以根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型采用計(jì)算力矩的方法進(jìn)行前饋或者反饋補(bǔ)償，由于 陀螺效應(yīng)，框架摩擦力矩受到陀螺耦合力矩的影響，與框架角速率和角位置都有關(guān)系，框架 伺服系統(tǒng)的非線性摩擦力矩模型更加復(fù)雜，不易進(jìn)行建模和參數(shù)辨識(shí)，因而基于摩擦模型 的補(bǔ)償方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)框架伺服系統(tǒng)的高精度控制；
[0016] 步驟（2)、根據(jù)所述步驟（1)中的內(nèi)、外框架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，首先對(duì)框架耦合 力矩進(jìn)行前饋補(bǔ)償控制，由于框架系統(tǒng)非線性摩擦力矩模型未知，應(yīng)用TDE對(duì)非線性摩擦 力矩進(jìn)行估計(jì)，并采用TDC對(duì)非線性摩擦進(jìn)行反饋補(bǔ)償；
[0017] 步驟（3)、根據(jù)所述步驟（2)中非線性摩擦補(bǔ)償后的系統(tǒng)，由于TDE存在估計(jì)誤差， TDC對(duì)突變擾動(dòng)力矩的魯棒性不強(qiáng)，采用兩自由度nc，對(duì)TDE引入的估計(jì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí) 現(xiàn)框架系統(tǒng)跟蹤性能和擾動(dòng)抑制性能的獨(dú)立控制；
[0018] 步驟（4)、根據(jù)所述步驟（2)和（3)中的TDC與兩自由度IMC，將二者相結(jié)合，并化 為經(jīng)典反饋控制形式，實(shí)現(xiàn)框架系統(tǒng)跟蹤性能和擾動(dòng)抑制性能的獨(dú)立控制及框架系統(tǒng)高精 度角速率跟蹤。
[0019] 進(jìn)一步的，根據(jù)框架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型將框架伺服系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程表示為：
[0023] T = [Tgx Tjy]T為內(nèi)、外框架電機(jī)輸出力矩，θ = [ Θ g0 Jt為內(nèi)、外框架的角位置， 々 = [4為內(nèi)、外框架的角速度，4 =氏W為內(nèi)、外框架的角加速度，J( θ )為內(nèi)、外框架
[0020]
[0021] ;
[0022] 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量陣，7：隊(duì)0為內(nèi)、外框架的耦合力矩，為內(nèi)、外框架的非線性摩 擦力矩，W = [wx wy]τ為建模誤差；
[0024] 耦合力矩供句可以根據(jù)框架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型的耦合力矩項(xiàng)計(jì)算得到，因而首 先采用前饋補(bǔ)償方法消除框架系統(tǒng)的耦合力矩，由于框