磁悬浮支承的惯性稳定平台对扰动的高精度高动态主动抑制方法研究

The inertial stabilization platform (IPS) is an universal instrument of the earth observation system. The ISP is fixed between the aircraft and the earth observation instruments (AOI) to attenuate the disturbances caused by the aircraft and improve the line of sight precision of the AOI. The disturbances applied to the AOI in roll, pitch and azimuth are isolated by the three-frame magnetically suspended ISP (MS-ISP) whose inner azimuth frame is suspended by the active magnetic bearings (AMBs) contactlessly. There are series of advantages of the MS-ISP such as lower friction, faster response, better precision, vibration active control ability and so on benefits. The aims of this project are focused on four principle researches of the MS-ISP. Firstly, the dynamic model of the MS-IPS is developed, the nonlinear and coupling of the system are quantitativly analyzed based on the obtained model. And then, the nonlinear control method of the magnetic force is designed and applied to the AMBs to improve the precision, dynamic response and decoupling ability. Thirdly, the attitude and position tracking control strategy of the suspended azimuth frame is investigated using the controllable magnetic force. The robustness of control strategy is also optimized further. At last, the current distribution strategy of the mulit-channel AMBs is researched to decrease the power consumption of the system and improve the precision and robustness of the system. Benefits from the listed four original researches, the principle of the disturbance attenuation method with the better precision and faster dynamic response advantages realized by the active control of the AMBs of the MS-ISP are investigated and checked by the experiments. Furthermore, the fundamental issues about the high-precision and fast-response optical axis direction control and stabilization in the field of heavy-load ISP could be improved noticeably.

惯性稳定平台是航空对地观测系统中的一类通用载荷，实现对飞行平台的扰动抑制。为了进一步提高对扰动抑制的精度和动态特性、提高对地观测载荷视轴指向精度，本项目创新性的采用磁轴承悬浮支承惯性稳定平台最内侧的方位框。利用可控电磁力实现对悬浮方位框的角姿态进行高动态精密调整，从而实现对扰动的高精度高动态主动抑制。本项目首先建立磁悬浮惯性稳定平台的电磁动力学模型，对非线性和耦合特性定量分析；然后研究主动磁轴承的电磁力非线性解耦控制方法，提高可控电磁力的精度和动态特性；通过研究主动磁轴承对方位框的角姿态和平动悬浮位置强鲁棒跟踪控制方法，实现对观测载荷所受扰动的高精度高动态抑制；最后研究多通道主动磁轴承的通道间电流动态分配方法，实现系统在功耗、精度上的最优。依托以上四个创新性研究，厘清基于磁轴承支承的惯性稳定平台的高精度高动态扰动主动抑制的机理，解决航空对地观测载荷的视轴高精度指向和航向稳定这一基础性问题。

惯性稳定平台是航空对地观测系统中的一类通用载荷，实现对飞行平台的扰动抑制。为了进一步提高对扰动抑制的精度和动态特性、提高对地观测载荷视轴指向精度，本项目创新性的采用磁轴承悬浮支承惯性稳定平台的方位框。利用可控电磁力实现对悬浮方位框的角姿态进行高动态精密调整，从而实现对扰动的高精度高动态主动抑制。本项目首先建立了磁悬浮惯性稳定平台的电磁动力学模型，对非线性和耦合特性定量分析；然后研究了主动磁轴承的电磁力非线性解耦控制方法，提高了可控电磁力的精度和动态特性；通过研究主动磁轴承对方位框的角姿态和平动悬浮位置强鲁棒跟踪控制方法，实现了对观测载荷所受扰动的高精度高动态抑制；最后研究了多通道主动磁轴承的通道间电流动态分配方法，实现系统在功耗、精度上的最优。本项目厘清了基于磁轴承支承的惯性稳定平台的高精度高动态扰动主动抑制的机理，解决了航空对地观测载荷的视轴高精度指向和航向稳定这一基础性问题。. 本项目完成了全部的研究任务，研究的磁悬浮惯性稳定平台在视轴指向精度和扰动抑制动态特性上表现出了很大的优势。于2014年7月完成静态实验，2014年12月进行了六自由度摇摆台实验。进一步改进磁悬浮惯性稳定平台的结构强度，重新设计高可靠控制器之后，于2016年4月完成了跑车实验，2017年5月在河南安阳和中测新图（北京）有限公司一起，配合其观测相机完成了实际的飞行实验。实验和测试结果表明，提出的创新性的方法满足了磁悬浮惯性稳定平台的指标要求。实现了姿态指向精度优于0.02°（静态：0.0104°，动态：0.0187°），姿态稳定度优于10″（RMS），动态响应优于20Hz的磁悬浮惯性稳定平台的关键指标。依托本项目，发表SCI论文6篇，EI论文3篇，申请并授权发明专利5项，完成专项的技术报告5本，培养博士研究生3名，硕士5名。依托本项目突破的关键技术，获得2016年国防技术发明一等1项，完成科技成果鉴定2项，并实现在中测新图（北京）遥感技术有限公司的实际飞行遥感测绘中。