多源扰动下强耦合超低速速率伺服系统高精度动态解耦控制方法及实验研究

Double gimbal variable speed control moment gyroscope can satisfy the demand of high precision and fast response for the attitude control system of the high-resolution earth observation satellites. It is the frontier direction of the inertia actuator. However, the high precision dynamic decoupling with multi-source disturbances in double gimbal system has never been solved effectively, which affects the popularization and application of double gimbal variable speed control moment gyroscope. Aiming at the problem of strong nonlinear coupling with multi-source disturbances in the double gimbal servo system, the voluntary online disturbance observation method and high precision dynamic decoupling control method based on mechanism analysis will be studied in this project. (1) The dynamic model of the double gimbal system will be built and the coupling characteristics will be analyzed. (2) High precision online disturbance observation method for the multi-source disturbances will be studied. (3) High precision dynamic decoupling control method based on cascade extended state observer will be studied. (4) The experiment will be carried out to verify the validity of the dynamic model, the disturbance observation method and the dynamic decoupling method. Based on the above research, the high precision angular speed tracking control of the nonlinear coupling double gimbal system with multi-source disturbances can be realized. This project can not only extend the functions of the control moment gyroscope but also provide some novel ideas for us to develop the new type inertia executor for the spacecraft.

双框架变速率磁悬浮控制力矩陀螺能够满足高分辨率对地观测卫星姿态控制系统高精度与快响应的需求，是惯性执行机构的前沿发展方向，但双框架系统的多源扰动下的高精度动态解耦控制问题迄今未有效解决，影响了双框架变速率磁悬浮控制力矩陀螺的推广应用。本项目针对多源扰动下的内、外框架系统的强非线性耦合问题，立足机理分析，研究自主的在线扰动观测与高精度动态解耦控制方法。主要包括：（1）双框架变速率磁悬浮控制力矩陀螺框架系统动力学建模与耦合特性分析；（2）不匹配多源扰动的高精度在线观测方法；（3）基于级联扩张状态观测器的框架系统高精度动态解耦控制；（4）对建模正确性、在线扰动观测方法及动态解耦控制方法进行针对性的实验验证。通过上述研究，实现多源扰动下非线性强耦合双框架系统的高精度角速率跟踪控制，为拓展控制力矩陀螺的功能、研制新型航天器姿态控制执行机构奠定基础。

近年来，我国航天技术的快速发展，新一代敏捷机动卫星迫切需要既能输出高精度力矩又能输出大力矩的姿态控制执行机构，双框架变速率磁悬浮控制力矩陀螺（DGVSMSCMG）就是能够满足这一类卫星平台姿态控制系统的执行机构，是惯性执行机构的前沿发展方向。但是，双框架系统多源扰动下的高精度动态解耦控制问题迄今未有效解决，影响了DGVSMSCMG的推广应用。本项目从研究双框架系统的耦合机理出发，分析了两种工作模式下的DGMSCMG的耦合特性，建立了完整的双框架系统的动力学模型。在此基础上，研究了基于级联扩张状态观测器的不匹配多源扰动的高精度在线观测方法。为了实现内、外框架系统之间的高精度解耦控制，提出了一种基于级联扩张状态观测器和滑模控制的复合动态解耦控制方法。该方法将由陀螺效应引起的内外框架之间的耦合力矩、框架系统的非线性摩擦以及建模过程中的参数时变综合考虑为集总扰动并利用级联扩张状态观测器进行实时估计。为了提高内、外框架系统的角速率精度并保证系统的鲁棒性，将集总扰动的观测值和滑模控制相结合，通过集总扰动补偿实现内外框架的高精度解耦与扰动补偿，利用滑模控制的鲁棒性保证系统稳定。仿真和实验都是基于北京航空航天大学50NmDGVSMSCMG进行的，其中通过参数优化设计的级联ESO对角速度的观测可以达到50Hz以内误差小于10-5rad/s，所设计的复合解耦控制器可以实现内、外框架角速率带宽5Hz以内框架系统的完全解耦。通过以上研究，申请国家发明专利9项，已授权6项；发表学术论文14篇，其中SCI论文10篇。本项目的科学问题都来源于我国航天发展的重大需求，通过本项目的研究，解决了DGVSMSCMG框架系统中多源扰动下的高精度动态解耦问题，提高了内、外框架系统的角速率精度的，提升了我国MSCMG的理论研究水平，推动了我国新一代航天器长寿命、低噪声姿态控制执行机构的技术进步。