磁懸浮變速控制力矩陀螺轉(zhuǎn)子控制及應(yīng)用.pdf

1、變速控制力矩陀螺（Variable Speed Control Moment Gyroscopes，VSCMG）結(jié)合了控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscopes，CMG）和飛輪（Fly Wheel，F(xiàn)W）兩者的優(yōu)點，輸出力矩大且精度高。傳統(tǒng)的機械支撐在一定程度上限制了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速及壽命、精度、噪聲等指標(biāo)。采用磁懸浮支撐的VSCMG，具有長壽命、低功耗、微振動、低損耗、低噪音等優(yōu)點，其轉(zhuǎn)速可以更高，從而更好的發(fā)揮變速的

2、優(yōu)勢。懸浮狀態(tài)下的高速陀螺轉(zhuǎn)子運動控制水平?jīng)Q定著輸出力矩大小和精度，是關(guān)鍵技術(shù)所在。
　　本文以MSVSCMG為研究對象，對陀螺轉(zhuǎn)子的懸浮控制進行了重點研究，并對陀螺在衛(wèi)星姿態(tài)控制中的應(yīng)用作了探索研究。主要從建立動力學(xué)模型、設(shè)計控制算法、仿真和實驗幾個方面展開研究。
　　首先，在轉(zhuǎn)子受力分析基礎(chǔ)上，建立了轉(zhuǎn)子的能量方程，利用Lagrange第一定理推導(dǎo)出了整個陀螺系統(tǒng)的動力學(xué)模型。在解耦假設(shè)下簡化動力學(xué)模型，得到了陀螺轉(zhuǎn)子徑

3、向兩自由度和軸向三自由度的動力學(xué)方程。區(qū)分陀螺工作狀態(tài)，在軸向分別建立了轉(zhuǎn)子的靜止懸浮、加轉(zhuǎn)速懸浮和框架轉(zhuǎn)動懸浮三種狀態(tài)的動力學(xué)方程。對影響轉(zhuǎn)子懸浮控制的主要因素進行了分析。
　　其次，重點研究了轉(zhuǎn)子懸浮的線性控制方法。在根軌跡、Bode圖、階躍響應(yīng)、穩(wěn)定裕度等分析的基礎(chǔ)上，分別針對徑向單自由度懸浮和軸向三自由度懸浮的控制對象設(shè)計了相應(yīng)的兩級PD控制器。閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)值仿真證明了控制器的有效性。對高速轉(zhuǎn)子引入交叉反饋控制后的系統(tǒng)剛

4、度和阻尼進行了研究，結(jié)果表明加入交叉反饋后系統(tǒng)控制品質(zhì)有提升。以某MSVSCMG陀螺房磁軸承系統(tǒng)為對象，開展了實驗研究，結(jié)果表明所提控制器能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定懸浮。
　　研究了兩種魯棒控制方法。針對轉(zhuǎn)子徑向單自由度懸浮研究了混合靈敏度H∞控制，對轉(zhuǎn)子軸向三自由度的懸浮研究了狀態(tài)反饋H∞控制。在設(shè)計H∞控制器的過程中考慮了系統(tǒng)的不確定性，對所設(shè)計的控制器進行了仿真驗證，并將得到的仿真結(jié)果與采用兩級PD控制的仿真結(jié)果進行了對比分析，凸顯出了H