变速倾侧动量轮空间伺服机构控制问题研究

The development of tiny spacecrafts has become a hotspot in the development of space technology, and it has put forward higher requirements for the quality, volume, performance, power consumption, cost and reliability of the components. Therefore, it is necessary and urgent to seek for a new type actuator with high functional density and excellent performance. In this proposal, a new space servo mechanism is proposed and investigated, with its angular momentum amplitude and direction can be controlled in a large range. The aim of studying this new actuator is to realize the three-dimensional attitude control of the spacecraft by using a single momentum wheel, which is compact and light. Due to the strong nonlinearity of the dynamics, the main research contents include: the dynamic behavior of the new variable speed and tilted momentum wheel; the problem of vibration mechanism and suppression; the suppression of mixing disturbances by using variable gain spatial internal model; robust decoupling control by using piecewise variable gain scheduling technology; the experimental verification of the theoretical results. The research of this project can provide a theoretical and technical foundation for the application of variable speed and tilted momentum wheel to tiny spacecrafts in the future. At the same time, it shows a new research direction on the robust gain scheduling control method for complex nonlinear dynamical systems.

微小航天器已成为当今航天技术发展的热点，其发展对星载元器件的质量、体积、性能、功耗、成本和可靠性提出了更高的要求，因此，寻求功能密度高和性能优良的新型姿态控制执行机构已成为发展微小航天器的迫切需求。本项目提出并研究一种角动量幅值和指向大范围变化的微小航天器姿态控制伺服机构及其控制问题，目的是利用轻量紧凑的单体动量轮实现航天器三维姿态控制任务。针对系统动态的强非线性，主要研究内容包括：变速倾侧动量轮伺服机构动力学行为基础研究；变速倾侧动量轮伺服机构振动机理与抑制问题研究；基于变增益空间内模的变速倾侧动量轮混频扰动抑制研究；变速倾侧动量轮分段变增益鲁棒解耦控制问题研究；相关理论研究成果的实验验证等。本项目研究目标的实现，可以为变速倾侧动量轮伺服机构在未来微小航天器领域的推广应用奠定理论与技术基础，同时，为复杂非线性动态系统鲁棒增益调度控制方法的研究开辟一个新的方向。

寻求功能密度高和性能优良的新型姿态控制执行机构已成为发展微小航天器的迫切需求。本项目针对一种新型轻量紧凑的单体动量轮伺服机构，通过精确控制角动量幅值和指向，可以实现对航天器三维姿态控制力矩输出。经过项目团队四年的深入研究，针对该动量轮大范围区间变速和两维大角度倾侧运动所带来的特殊控制问题，取得的成果主要包括：揭示了该机构运行机理，建立了系统完整的动力学模型，并深入分析了系统的非线性、强耦合、多源振动等动力学行为；分析了三自由度转子的动不平衡响应特性，提出了针对点支撑和各向异性转子的动不平衡辨识和校正方法；针对转子变速引起的复杂章动特性及两维倾侧回路间的动态强耦合特性，提出了基于变增益章动阻尼器的进动控制方法和基于双频Bode图的系统稳定性分析方法；针对变速工况带来的时变周期扰动抑制问题，提出了基于数据存储器的位置域重复控制方法以及基于数据驱动的空间投影迭代学习控制方法；针对动平衡校正后残余动不平衡基频以及机理性二倍频信号引起的多源混频振动问题，利用力矩器的高力能、高带宽特点，提出了基于自适应搜索补偿的变速倾侧动量轮在线振动控制方法和基于自适应前馈补偿的主动振动控制方法；最后，通过变速倾侧动量轮样机实验研究，验证了相关理论研究成果的有效性。本项目的研究成果，可以为变速倾侧动量轮伺服机构在未来微小航天器领域的推广应用提供技术保障，同时为解决旋转机械精密控制、动平衡和主动振动抑制奠定了理论储备。