基于自适应反步的DGMSCMG框架伺服系统控制方法

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1、2016年4月第42卷第4期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril2016V01．42No．4http：／／bhxb．buaa．edu．CBjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2015．0282基于自适应反步的DGMSCMG框架伺服系统控制方法李海涛1’2一，闫斌1’2(1．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100083；2．北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室，北京10

2、0083)摘要：针对双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)内、外框架伺服系统耦合力矩及传动机构的非线性传动特性影响框架角速率精度的问题，提出一种基于自适应反步的非线性鲁棒控制器的设计方法。首先分别就双框架伺服系统耦合力矩及框架传动机构的非线性传动特性对系统稳定性和角速率精度的影响进行分析；其次利用反步理论，通过构造适当的Lyapunov函数并逐级反推得到控制律，保证参数估值的收敛性和系统的全局稳定性；最后通过仿真分析并以小型DGMSCMG系统为对象进行实验，结果表明：与电流前馈控制比较，所提出的自适应反步控制方法，既增强双框架伺服系统的扰动抑制能力，又

3、提高框架角速率精度。关键词：双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)；自适应反步控制法；传动机构；框架角速率；耦合力矩中图分类号：TP394．1；TH691．9文献标识码：A文章编号：1001—5965(2016)04-0703-08控制力矩陀螺(ControlMomentGyroscope，CMG)是大型航天器长期运行必不可少的姿态控制执行机构¨。。与单框架CMG相比，由于双框架CMG可以同时提供2个自由度的输出力矩而具有综合性能优势。较机械轴承支承的CMG，双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DoubleGimbalMagnet．icallySuspended

4、ControlMomentGyroscope，DGM-SCMG)又具有高速转子与定子之间无摩擦的优点，它在寿命和精度上也有很大的优势旧。3-。因此DGMSCMG是CMG发展的重要方向之一。框架伺服系统是DGMSCMG的重要组成部分，其角速率的稳定性及精度直接决定着陀螺的输出力矩的稳定性和精度”。。在DGMSCMG输出力矩时，陀螺效应引起的内、外框架之间非线性强耦合力矩将直接影响整个陀螺系统的稳定性和精度。为了减小框架伺服系统的体积和质量，DGMSCMG一般要加入减速机构对力矩进行放大。由于谐波传动具有精度高、承载力大、效率高、体积小和质量轻等优点，特别是其

5、可以在真空和介质辐射的条件下进行工作，因此谐波传动是DGMSCMG框架传动机构的最佳选择。但由于其结构的特点，谐波减速器也存在非线性传动特性，这严重影响了框架伺服系统的角速率精度¨1。DGMSCMG框架伺服系统的扰动可分为内扰和外扰，其中内扰主要包括伺服电机的力矩脉动、轴系的摩擦力矩、传动部件的误差及反馈部件的误差，外扰主要是内、外框架之间的耦合力矩。针对内、外框架由于陀螺效应引起的耦合力矩，文献[6]提出一种针对耦合力矩进行补偿的电流前馈方法，但模型过于简单，解耦效果不明显。文收稿日期：2015-05-06；录用日期：2015-08-06；网络出版时间：

6、2015-09-1716：50网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150917．1650．011．html基金项目：国家自然科学基金(61203112)$通讯作者：Tel．：010．82339273E．mail：haitaoli@buaa．edu．ca引用格式：李海涛，闰斌．基于自适应反步的DGMSCMG框架伺服系统控制方法fJJ．北京航空航天大学学报，2016，42(4)：703．710．LIHT，YANB．AdaptivebacksteppingcontrolmethodusedinDGMSCMGgi

7、mbalsefvosystem[Jj．JournalofBeijingUni—versityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(4)：703-710(inChinese)．704北京航空航天大学学报献[7]采用自适应逆方法对DGMSCMG的内、外框架伺服系统进行解耦，并进行了仿真验证，但该方法由于系统未引入谐波减速器仍然需要比较精确的数学模型，具体实现难度较大。针对框架伺服系统的伺服电机的力矩脉动、轴系的摩擦力矩、传动部件的误差及反馈部件的误差，文献[1]提出一种三相直流无刷力矩电机的自适应电流控制方法，抑制了电机的转

8、矩脉动。文献[4]提出一种角速度估计方法对由角位置获取角速率带来的