双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的扰动抑制

内外框架之间的耦合力矩和谐波减速器的非线性传输力矩是影响双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架系统精确角速度控制的主要因素,为了解决以上干扰问题,实现框架系统高精度角速率伺服控制提出了一种基于扰动观测器和自适应反步的框架系统复合解耦控制方法。通过扰动观测器来估计框架系统中的扰动,并结合自适应反步法获得控制律,其间将扰动估计误差当作未知参数设计了其自适应律,对扰动的两次处理使得框架系统干扰估计更加精确,同时可以保证估计参数的收敛性和整个框架系统的稳定性。仿真和实验结果表明,采用此复合控制方法,DGMSCMG框架系统扰动估计误差不超过框架系统实际扰动的3%,实际框架角速率跟踪参考指令角速率的精度达到99.2%。此复合解耦控制方法可以满足DGMSCMG框架系统抗干扰能力强、高精度角速率伺服控制的要求。     

控制力矩陀螺框架系统的谐振抑制与精度控制

控制力矩陀螺(CMG)框架系统的速率控制精度是影响其输出力矩精度的重要因素,系统中谐波减速器提高了框架系统的动态响应能力,但其产生的机械谐振大幅降低了系统的控制精度.为抑制框架系统的谐振并满足系统的控制精度,本文建立了框架系统的动力学模型,根据系统动态性能要求选取合适的阻尼系数来设计系统主导极点,使控制器产生的零点与机械谐振对应的极点重合形成偶极子,从而抑制系统的机械谐振.仿真和实验结果显示:提出的方法有效地抑制了控制力矩陀螺框架系统的谐振,0.175 rad/s恒速控制精度为0.002,0.175 sin(2πt) rad/s正弦随动控制的幅值相对误差为3.28％,相位差为0.13 rad.结果很好地满足了控制力矩陀螺的高精度输出力矩需求.     

动基座下DGCMG框架伺服系统干扰补偿控制

针对双框架控制力矩陀螺(double gimbal control moment gyro,简称DGCMG)内外框架间的耦合力矩和航天器快速机动带来的牵连力矩引起框架角速率波动问题,建立了动基座下DGCMG框架伺服系统的动力学模型,提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer,简称ESO)的扰动力矩估计方法。对耦合力矩、牵连力矩等扰动力矩进行估计并采用力矩前馈的方式进行补偿,从而抑制扰动力矩对框架伺服系统控制精度的影响。仿真及实验结果表明,该控制方法能有效抑制由于扰动力矩引起的框架速率波动,提高了框架的速率输出精度。     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应补偿方法

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double gimbal magnetically suspended control moment gyroscope,DGMSCMG)是由磁悬浮高速转子系统与内框架、外框架速率伺服系统构成的航天器新型姿控执行机构。由于非线性及三个子系统间的强耦合,框架转动时磁悬浮转子位移急剧增大影响稳定性,同时框架系统的响应速度显著下降,称之为动框架效应。该效应严重影响了DGMSCMG的功能,必须加以抑制。建立DGMSCMG的动力学模型,分析三个子系统间的动力学耦合机理,提出一种基于复合控制的补偿方法,引入针对陀螺项的反馈和针对框架角速率给定的前馈消除磁悬浮转子附加位移,提高框架系统响应速度,并对补偿后系统做全局稳定性分析。仿真和试验结果表明,该方法能在保证系统稳定性的前提下有效抑制动框架效应,满足DGMSCMG的功能要求。     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承负载力矩复合补偿的控制

提出一种基于角速率前馈与力矩观测相结合的磁轴承负载力矩复合补偿控制方法来提高双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子的悬浮精度。建立了双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子动力学模型,分析了内外框架转动情况下的磁轴承负载力矩。分别基于框架角速率前馈和力矩观测设计了磁轴承负载力矩复合补偿控制方法,分析了补偿后系统的稳定性。最后,利用实验室研制的样机搭建试验平台对本文所提出的方法进行了实验验证。结果表明:在框架以角加速度120(°)/s2启动至10(°)/s时,该方法使转子Ax端位移跳动量减小为未补偿前的44.8%;内外框架以幅值频率10Hz正弦激励时,转子Ax、By端的位移跳动量分别减小为未补偿前的23.4%和35.5%。结果显示提出的方法有效地提高了磁悬浮转子在负载力矩扰动下的悬浮精度。     

单框架控制力矩陀螺的动力学分析

为了验证单框架控制力矩陀螺结构的可靠性,采用AutoCAD建立陀螺的三维几何模型,同时运用有限元法建立了动力学分析模型。在MSC.Nastran环境下,进行模态仿真,得到了力矩陀螺的前十阶固有频率和相应的振型。接着在模态分析、频率响应分析的基础上,进行了陀螺的随机响应分析,研究了单框架控制力矩陀螺的动力学性能。为陀螺结构的可靠性评估以及优化设计提供了理论参考依据。     

磁悬浮控制力矩陀螺框架系统谐波减速器的迟滞建模

为了抑制双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架伺服系统中谐波减速器固有的迟滞特性对系统精度的影响,提出了一种基于Preisach模型的谐波减速器迟滞特性建模方法。首先,使用一阶回转曲线法采集谐波减速器的柔轮输出力矩与扭转角,获得建立谐波减速器迟滞模型的实验数据,其中谐波减速器柔轮的输出力矩是在不使用力矩传感器的条件下用系统动力学模型估计得到的;然后,使用Preisach模型对谐波减速器柔轮输出力矩与扭转角迟滞关系进行建模;最后,采用将模型离散化的数字型实现方法辨识模型中的权重函数,并给出模型的离散递归算法使模型利于简易化编程与进一步的在线控制。实验结果显示,谐波减速器的迟滞模型误差不超过0.005°,MSE值不超过(0.000 83%)°。结果显示了所述建模方法的正确性和实用性。     

伺服系统周期性小扰动抑制的研究

针对异步电机d-p坐标系下四阶磁场定向控制非线性模型,利用状态反馈控制设计方法,设计出能够抑制周期性扰动的非线性控制器,实现及仿真结果表明,控制器具有较高的性能。     

超声电机驱动的CMG框架系统滑模控制

针对超声电机驱动的控制力矩陀螺框架伺服系统具有强非线性、参数摄动和多源扰动力矩等问题,在系统建模和分析的基础上,采用了一种混合积分滑模变结构控制器,在保证框架速度控制快速响应的同时,提高了系统在多源强耦合扰动力矩下的鲁棒性。针对滑模抖振问题,引入了一种滑模观测器补偿框架系统的多源扰动力矩,减小系统不确定项的影响,进而减小滑模切换增益,达到抑制抖振的目的。仿真和实验结果表明,提出的控制力矩陀螺框架速度控制策略可有效抑制滑模控制系统的抖振现象,在多源扰动力矩的影响下,框架系统具有较强的鲁棒性。     

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子的高精度位置控制

在受到陀螺效应、动框架效应等影响后产生的磁力非线性问题是磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)高速转子位置精度下降的主要因素。为解决以上问题,提高转子位置精度,本文分析了转子所受磁力的特性,建立了转子系统非线性动力学模型,提出了神经网络滑模控制方法。设计滑模控制律,采用径向基函数神经网络逼近控制律中的非线性模型,自适应算法根据误差在线调整神经网络的权值,同时可以保证整个系统的稳定性。仿真和实验结果表明,所提出方法的转子位置精度达到99%,稳态误差为0.000 2 mm。神经网络滑模控制可以实现MSCMG转子系统的高精度位置控制。     

导引头稳定平台的扰动补偿及改进滑模控制

为提高导引头稳定平台抗扰性,提出了一种导引头稳定平台的扰动补偿及改进滑模控制策略。首先根据扰动特点将扰动分为摩擦力矩和"剩余扰动"两部分,基于Stribeck摩擦模型辨识摩擦参数,并进行摩擦力矩补偿;采用扩张高增益观测器对"剩余扰动"进行估计,并给出了扩张高增益观测器的收敛条件。然后设计了改进滑模控制器作为稳定回路的控制器实现伺服控制,采用Lyapunov函数证明其稳定性。最后,搭建测试系统分别进行了稳定平台性能测试和导引头性能测试,用于验证跟踪和抗扰效果。实验结果表明,跟踪1(°)/s的梯形波时,提出的控制器有效地补偿了摩擦,同时稳态精度提高了0.032 8(°)/s;给定三轴转台典型幅值和频率扰动下,采用提出的控制器时系统隔离度至少提高了0.57%。表明提出的控制器改善了系统抗扰性。     

基于 GA-模糊 RBF 的发电机组滑模自抗扰控制

针对燃煤发电机组风烟系统大惯性、大滞后、参数不稳定等特点,提出一种基于发电机组的滑模自抗扰控制策略。选择模糊径向基函数(RBF)算法辨识模型,以梯度下降法和遗传算法分别对神经网络权值进行粗调和细调,通过扩张状态观测器估计系统内外部扰动,将非线性状态误差反馈控制律与滑模控制策略相结合以克服系统惯性、滞后和扰动的问题,并设计Lyapunov函数验证控制系统稳定性。仿真结果表明,滑模自抗扰控制与串级比例-积分-微分(PID)控制、滑模控制和自抗扰控制相比,在模型适配的情况下,所设计的控制策略在38 s达到设定值,无超调量;当向系统施加20%的反向阶跃干扰时,系统调节时间为39.5 s,超调量为3.4%。在模型失配情况下的调节时间为43.2 s,无超调量;当向系统施加20%的反向阶跃干扰时,系统调节时间为46.4 s,超调量为3.87%。工程应用结果表明,一次风量控制偏差在±10 000 m³/h以内,相比串级PID控制策略波动范围降低21%,系统抗干扰能力和鲁棒性得到有效提升。     

阀控单出杆缸电液伺服系统二阶线性自抗扰控制

为提高阀控单出杆缸电液伺服系统性能,在构建阀控单出杆缸电液伺服系统动态机理模型基础上,提出了一种具有加速度前馈的二阶线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)方法,采用奇异摄动理论分析了闭环系统稳定性,并针对系统响应性能和抗干扰性能与传统PID控...     

Fractional active disturbance rejection control

A fractional active disturbance rejection control (FADRC) scheme is proposed to improve the performance of commensurate linear fractional order systems (FOS) and the robust analysis shows that the controller is also applicable to incommensurate linear FOS control. In FADRC, the traditional extended states observer (ESO) is generalized to a fractional order extended states observer (FESO) by using the fractional calculus, and the tracking differentiator plus nonlinear state error feedback are replaced by a fractional proportional-derivative controller. To simplify controller tuning, the linear bandwidth-parameterization method has been adopted. The impacts of the observer bandwidth ω_o and controller bandwidth ω_c on system performance are then analyzed. Finally, the FADRC stability and frequency-domain characteristics for linear single-input single-output FOS are analyzed. Simulation results by FADRC and ADRC on typical FOS are compared to demonstrate the superiority and effectiveness of the proposed scheme.     

单框架磁悬浮控制力矩陀螺的损耗计算及热-结构耦合分析

为了明确由损耗导致航天器应用中的磁悬浮控制力矩陀螺温升问题,需要对损耗和温度分布进行分析计算。本文针对额定转速12 000 r/m,最大角动量200 N·m·s的单框架磁悬浮控制力矩陀螺,通过建立理论模型进行分析计算,得到了框架力矩电机、径向磁轴承、轴向磁轴承和转子高速电机的铁损以及铜损;对陀螺三维有限元模型进行了热场仿真分析,得到在各类损耗影响下的温度分布,并进行了热-结构耦合仿真分析。分析得到最大温度位于高速电机定子,最大温度是48.3℃;最后,进行了样机温升实验验证,检测温度最大值位于高速电机定子,最大值为51.8℃,与计算值误差为6.8%。通过温升检测实验验证了损耗计算和有限元热场分析。实验结论为整体结构优化提供了理论参考。     

Kinematics and dynamics of a double-gimbaled control moment gyroscope

Control moment gyroscopes (CMGs) are torque-generating mechanisms that can be used for attitude and vibration control of spacecraft. CMGs consist of a rotating flywheel as well as a wheel-tilting actuator. Most CMG designs allow the flywheel spin axis to tilt about only one axis––a single-gimbaled CMG. This paper develops and analyzes the kinematics and dynamics of a novel double-gimbaled CMG design. The compact CMG design involves two four-bar linkages allowing the axis of rotation of the spinning flywheel to have two degrees of freedom.     

无人旋翼机线性自抗扰航向控制

研究无人旋翼机器人在干扰情况下的航向控制问题.无人旋翼机航向动力学包含输入非线性、时变参数和主-尾旋翼之间的强耦合,难以建立精确的数学模型,并且易受外部扰动影响,很难达到良好的控制性能.针对这一问题提出基于线性自抗扰控制(linear adaptive disturbance rejection control,LADRC)的航向控制方法,通过设计扩张线性状态观测器对未知模型和外界干扰进行实时估计并进行在线补偿.以自主研制的无人旋翼机为例,建立其航向动力学方程,把通道间的交叉耦合影响视为不确定扰动,将其与外部干扰作为扩张状态,利用观测器带宽确定观测器增益,设计线性扩张状态观测器来跟踪各阶扩张状态变量,为说明LADRC的有效性,选用PD控制为非线性状态误差反馈控制律实现航向控制.仿真以及试验结果表明在外部扰动或模型结构参数发生变化时控制器仍可获得理想的动态性能,具有很好的适应性和鲁棒性.     

光电跟踪系统自抗扰伺服控制器的设计

考虑系统扰动对光电跟踪伺服系统精度的影响,提出了采用自抗扰的控制方案,并分析了实现自抗扰的工作原理。对某型光电跟踪系统进行了结构分析,将目标运动速度视为外部扰动,系统内部参数摄动视为内部扰动,采用扩张状态观测器从系统响应的输入、输出信号中估计出扰动,并进一步用跟踪微分器提取扰动的一阶导数来提高对扰动的估计精度,以最大程度地补偿扰动。实验结果表明,在载体扰动下,跟踪最大角速度为40mrad/s,最大角加速度为8mrad/s2,机动目标的误差0.1mrad,且响应速度快,超调10%。该方案结构简单,控制鲁棒性强;无需额外的传感器对目标运动进行测量、滤波和预测,即可有效提高系统高精度捕获、跟踪快速机动目标的能力。