一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法

摘要

本发明公开了一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法。扰动力矩是影响控制力矩陀螺框架系统控制精度的一个主要因素，现有技术对大幅的低频扰动力矩抑制能力不足，对高频扰动抑制能力明显不足，成为了制约框架控制精度继续提升的一个关键问题。本发明采用鲁棒控制、角加速度干扰观测和重复控制实现对陀螺力矩等因素引入的非线性低频干扰力矩的有效抑制，尤其是对转子不平衡振动引入的高频扰动力矩均具有很强的抑制能力，该方法相比现有技术可以进一步提高控制力矩陀螺框架控制性能。

说明书

技术领域

本发明涉及力矩抑制方法，尤其涉及一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑 制方法，适用于各类控制力矩陀螺产品，属于控制工程技术领域。

背景技术

控制力矩陀螺是航天器的惯性执行部件之一，主要应用于大型航天器的 姿态控制以及中小型航天器的快速机动，具有广阔的发展前景。随着航天技 术的发展，作为姿控系统的关键执行部件，控制力矩陀螺框架转速的控制精 度直接影响着控制力矩陀螺整机的输出力矩精度，是控制力矩陀螺最关键的 指标之一。高性能的鲁棒控制器是每个控制系统所追求的目标，同样，控制 算法的鲁棒性是影响框架伺服系统转速控制性能的最主要的一个主要因素。 框架伺服系统在力学、热等条件变化时，系统参数会发生变化，另外框架伺 服系统受到的扰动力矩成分复杂，波动幅度大，这些因素都需要框架控制策 略具有较强的鲁棒性。因此，控制力矩陀螺框架伺服系统鲁棒控制策略一直 是研究的热点和难点。现有方法虽然提高了框架伺服系统的性能，但是对参 数变化的适应性及对扰动力矩波动的抑制效果还有待提高，对高频扰动力矩 波动的抑制能力则明显不足。扰动力矩性的非线性也是影响框架伺服系统转 速控制性能的另一个主要因素。框架伺服系统受到的扰动力矩波动幅度大， 成分复杂。目前对控制力矩陀螺框架伺服系统高频扰动力矩抑制方法的研究 较少，未见有效的高频扰动力矩抑制方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种控制力矩陀 螺框架扰动力矩抑制方法，提高了对低频和高频扰动力矩和抑制能力。

本发明的技术解决方案是：一种控制力矩陀螺框架扰动力矩抑制方法， 包括鲁棒控制步骤、角加速度干扰观测步骤和重复控制步骤；

所述鲁棒控制步骤如下：

（1）位置控制器根据设定转速计算出力矩陀螺框架的位置信息，并将计 算出的位置信息与角位置传感器测量得到的力矩陀螺框架实际位置信息进行 差分，从而根据差分得到的位置偏差计算出终端滑模转速控制器的转速设定 信号；

（2）终端滑模转速控制器根据位置控制器输出的转速设定信号、角加速 度干扰观测步骤输出的转速信号、扰动力矩和驱动电机反馈的电流计算出电 压信号，电压信号的计算方法为：

（a）首先计算出变量x₁、x₂，$\left(\begin{array}{c}{x}_1={\omega }_{\mathrm{set}}-\omega \\ x_2={\stackrel{·}{x}}_1=-\stackrel{·}{\omega }=\frac{-k_e·i+T_f}{J}\end{array}\right)$

（b）根据变量x₁、x₂计算出终端滑模转速控制器的切换平面s，

$s=x_1+{\mathrm{cx}}_2\frac{p}{q}$

（c）利用变量x₁、x₂和终端滑模转速控制器的切换平面s计算出电压信 号u；

$u={-k}_v{x}_1-\frac{\mathrm{Jr}}{k_e}{x}_2+\frac{\mathrm{Jr}}{k_e}·\frac{q}{\mathrm{cp}}{x_2}^{2-\frac{p}{q}}+k_v{\omega }_{\mathrm{set}}+\frac{r}{k_e}·T_f+\mathrm{ks}+\mathrm{\delta sign}\left(s\right)$

其中，ω_set为转速设定信号，ω为角加速度干扰观测步骤输出的转速信号， J为电机转动惯量，T_f为角加速度干扰观测步骤输出的扰动力矩，k_e为电机 力矩系数，k_v为电机反电势系数，i为驱动电机反馈的电流，r为电机两相电 阻，c为切换平面s的调节系数，p、q(p<q)是正的奇数，k,δ为切换平 面对输出电压的控制系数，k>0，δ>0，sign(s)为s的符号函数；

角加速度干扰观测步骤：卡尔曼滤波器对角位置传感器输出的力矩陀螺 框架实际位置信息进行滤波处理得到力矩陀螺框架的转速信号，转速信号经 过非线性微分器处理后得到力矩陀螺框架的角加速度，扰动观测器根据力矩 陀螺框架的角加速度和驱动电机反馈的电流计算出力矩陀螺框架的扰动力 矩，计算公式为：T_f=k_e·i-J·α，其中，α为角加速度，k_e为电机力矩系数， i为驱动电机反馈的电流，J为电机转动惯量；

重复控制步骤为：

（1）高通滤波器对角位置传感器测量得到的力矩陀螺框架实际位置信息 进行高通滤波滤除低频信号；

（2）高通滤波后的力矩陀螺框架实际位置信息经过由延时环节和低通滤 波环节组成的正反馈重复运算器进行正反馈重复运算后送入前置调节器进行 调节；

（3）调节结果与鲁棒控制步骤输出的电压信号进行差分得到驱动电路的 控制电压，驱动电路在控制电压的控制下驱动力矩陀螺框架运行。

本发明与现有技术相比的优点：扰动力矩是影响控制力矩陀螺框架系统 控制精度的一个主要因素，现有技术对大幅的低频扰动力矩抑制能力不足， 对高频扰动抑制能力明显不足，成为了制约框架控制精度继续提升的一个关 键问题。本发明采用鲁棒控制、角加速度干扰观测和重复控制实现对陀螺力 矩等因素引入的非线性低频干扰力矩的有效抑制，尤其是对转子不平衡振动 引入的高频扰动力矩均具有很强的抑制能力，该方法相比现有技术可以进一 步提高控制力矩陀螺框架控制性能。

附图说明

图1为本发明扰动力矩抑制原理图；

图2为重复控制器的实现原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的抑制方法包括鲁棒控制步骤、角加速度干扰观测 步骤和重复控制步骤；

鲁棒控制步骤如下：

（1）位置控制器根据设定转速计算出力矩陀螺框架的位置信息，并将计 算出的位置信息与角位置传感器测量得到的力矩陀螺框架实际位置信息进行 差分，从而根据差分得到的位置偏差计算出终端滑模转速控制器的转速设定 信号；位置控制器传递函数为：G_p(s)=k_{p_p}+k_{d_p}·s

（2）终端滑模转速控制器根据位置控制器输出的转速设定信号、角加速 度干扰观测步骤输出的转速信号、扰动力矩和驱动电机反馈的电流计算出电 压信号，电压信号的计算方法为：

（a）首先计算出变量x₁、x₂，$\left(\begin{array}{c}{x}_1={\omega }_{\mathrm{set}}-\omega \\ x_2={\stackrel{·}{x}}_1=-\stackrel{·}{\omega }=\frac{-k_e·i+T_f}{J}\end{array}\right)$

（b）根据变量x₁、x₂计算出终端滑模转速控制器的切换平面s，

$s=x_1+{\mathrm{cx}}_2\frac{p}{q}$

（c）利用变量x₁、x₂和终端滑模转速控制器的切换平面s计算出电压信号 u；

$u={-k}_v{x}_1-\frac{\mathrm{Jr}}{k_e}{x}_2+\frac{\mathrm{Jr}}{k_e}·\frac{q}{\mathrm{cp}}{x_2}^{2-\frac{p}{q}}+k_v{\omega }_{\mathrm{set}}+\frac{r}{k_e}·T_f+\mathrm{ks}+\mathrm{\delta sign}\left(s\right)$

其中，ω_set为转速设定信号，ω为角加速度干扰观测步骤输出的转速信号， J为电机转动惯量，T_f为角加速度干扰观测步骤输出的扰动力矩，k_e为电机 力矩系数，k_v为电机反电势系数，i为驱动电机反馈的电流，r为电机两相电 阻，c为切换平面s的调节系数，p、q(p<q)是正的奇数，k,δ为切换平面 对输出电压的控制系数，k>0，δ>0，sign(s)为s的符号函数；

例如：电机转动惯量J取0.001kgm²，电机力矩系数k_e取0.56Nm/A，c取 0.8，r和L分别为电机两相电阻和电感(r=3.0Ω，L＝3mH)，电机反电势系 数，k_v取0.56V/rpm，切换平面的调节系数c=1.0，p=3,q=5，k>0，k=0.5， δ>0，δ=2.0。

角加速度干扰观测步骤：卡尔曼滤波器对角位置传感器输出的力矩陀螺 框架实际位置信息进行滤波处理得到力矩陀螺框架的转速信号，转速信号经 过非线性微分器处理后得到力矩陀螺框架的角加速度，扰动观测器根据力矩 陀螺框架的角加速度和驱动电机反馈的电流计算出力矩陀螺框架的扰动力 矩，计算公式为：T_f=k_e·i-J·α，其中，α为角加速度，k_e为电机力矩系数， i为驱动电机反馈的电流，J为电机转动惯量；

重复控制步骤为：

（1）高通滤波器对角位置传感器测量得到的力矩陀螺框架实际位置信息 进行高通滤波滤除低频信号；

（2）高通滤波后的力矩陀螺框架实际位置信息经过由延时环节和低通滤 波环节组成的正反馈重复运算器进行正反馈重复运算后送入前置调节器进行 调节；

（3）调节结果与鲁棒控制步骤输出的电压信号进行差分得到驱动电路的 控制电压，驱动电路在控制电压的控制下驱动力矩陀螺框架运行。

如图2所示，重复控制器的具体实现下：

（1）对由角位置传感器得到的位置信号进行高通滤波或带通滤波，得到 位置信号中与转子不平衡振动相关的高频分量，滤除其他频率成分。转子不 平衡振动频率100Hz。设计巴特沃兹滤波器的采样频率10kHz，截至频率80Hz， 阶数为4，如下：$Q\left(z\right)=\frac{{0.9364z}^4-{3.7457z}^3+{5.6186z}^2-3.7457z+0.9364}{z^4-{3.8687z}^3+{5.6145z}^2-3.6228z+0.8769}$

（2）将位置信号的高频分量送入由延时环节、低通滤波环节组成的正反 馈重复运算器，得到重复控制输出。延时环节N＝重复控制频率/高频扰动频 率＝10kHz/100Hz＝100。

（3）将重复控制输出送入前置调节器，对重复控制的动态性能进行调节， 前置调节器选择为比例调节器或比例积分调节器。选取比例调节器，取调节 增益为1.5。

（4）调节结果与滑模控制器的输出相减，最终输出给驱动器驱动无刷直 流电机驱动框架运行。

本说明书中的鲁棒控制器用于提高框架系统的控制鲁棒性，对低频扰动 力矩具有较强的抑制作用；角加速度干扰观测器可观测得到框架转速信号、 框架角加速度信号及干扰力矩，为鲁棒控制器提供反馈输入；重复控制器对 从转速信号中提取出的高频分量进行重复运算，实现对高频扰动力矩的抑制 功能。将鲁棒控制器、角角速度观测器和重复控制器相结合，可以实现控制 力矩陀螺框架系统对高频、低频扰动力矩的抑制。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。