动框架效应下非线性强耦合磁悬浮转子稳定控制研究

The magnetically suspended control moment gyroscope (CMG) can match the demand of high precision and quick response for the spacecraft with long-lifetime and is the leading direction of developing the CMG. For its magnetically suspended rotor (MSR), the strong nonlinearity and coupling with multi-variable are its main features. In order to realize the stable control of MSR in case of moving gimbal, the basis and key prerequisite is to research the decoupling control of multivariable nonlinear strong coupling MSR system. With respect to the stable control analysis of MSR in case of moving its gimbal for a magnetically suspended CMG, not only the relationships between gimbal movement and characteristics of MSR, but also the coupling and decoupling conditions will be researched originally based on the dynamics model for the gimbal system. The modelling approach and its theoretical analysis method for MSR system will be analyzed deeply and the decoupling method with high precision when MSR is in case of free gimbal moving will be studied. All that will provide a theoretical support to suspend MSR stably. This project can not only deep the theoretical research of the magnetically suspended CMG, but also lay the foundation for the development of new inertia executor for spacecraft.

磁悬浮控制力矩陀螺（CMG）是长寿命高精度快响应航天用CMG的前沿发展方向，多变量非线性强耦合是具有强陀螺效应转子（MSR）系统的主要特征。为了实现动框架条件下MSR稳定控制，研究多变量非线性强耦合MSR 系统的解耦控制是基础和关键。首次在框架系统动力学建模基础上，研究框架运动与MSR性能间的映射关系、耦合特性与解耦条件，MSR系统建模与稳定性分析方法、静框架MSR系统高精度解耦方法，为MSR稳定悬浮提供理论依据，为深化磁悬浮CMG理论研究、促进航天器新型姿态控制机构研制奠定基础。

磁悬浮控制力矩陀螺（CMG）不仅具有控制范围大、精度高、输出力矩大等优点，还具有长寿命、微振动、低噪声等特点，是长寿命高精度快响应航天用CMG的前沿发展方向。多变量非线性强耦合磁悬浮转子（MSR）系统除了具有强陀螺效应外， MSR系统与框架系统间还存在强动力学耦合并相互影响。动框架效应下，MSR 系统高稳定高精度控制是实现磁悬浮CMG高性能的关键，也是磁悬浮CMG 研究的重点和难点。.本课题根据动框架效应下非线性强耦合磁悬浮转子稳定控制研究中关键科学问题的重要程度，主要研究了多变量非线性强耦合MSR系统的解耦控制。.主要研究进展为：1）.分析了磁悬浮力中电流、位移等对模型精度的影响，研究了框架角速度、作用力矩、角动量及其相互关系，完成了MSR 系统动力学建模和框架系统动力学建模；2）研究了框架运动对MSR系统角动量指向精度、转子进动稳定性的影响，研究了MSR 受扰状况与框架系统速率精度、CMG 输出力矩精度的映射关系；在悬浮控制电流和转子位移大幅变化时，采用输出力矩法研究了电磁力的非线性特性；3）研究了径向不同控制通道的动力学耦合特性、强非线性强耦合MSR 系统MIMO非线性状态方程的可逆性及解析逆求解方法；4）.将逆系统法和内模控制相结合，通过变量重构和逆系统伪线性系统设计，完成了复系数SISO 系统建模与系统稳定性理论分析；设计了基于内模控制的鲁棒控制器，消除了逆系统控制法中扰动不确定性、模型误差对系统跟踪性和鲁棒性的影响，实现静框架条件下MSR 系统高精度解耦控制。.本课题研究周期为一年，投稿录用SCI论文 3篇，申请国家技术发明专利两项。为深化磁悬浮CMG理论研究、促进航天器新型姿态控制机构研制奠定基础，为我国研制同时具备高精度与快响应能力的姿态控制执行机构提供了理论支持。