控制力矩陀螺高精度框架控制技术

合集下载

大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架优化设计方法研究

结构、加工和装配简单同等重量下频率低同等重量下频率较高，相对两体球壳，还要增加加工和装配简单零件轴承套重量较大
，
３
４
８３８
１４１４
框架振动
框架振动
三体球壳
两体球壳
同等重量下频率最高加工和装配相对复杂
５６
１
１０３６１２６３
作者简介：宋玉旺（９０）男，１８一，博士，师，讲主要从事机电产品数字化设计方法与关键技术研究工作。Ｅｍｉｙｗｎｓｎ＠ｕａｄ．－ａ：ａｇｇｂａｕｎｌｕｏｅｃ
第４期
宋玉旺等：大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架优化设计方法研究
２北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京１０９）０１１摘要针对大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架，进行频率、重量和体积的设计优化。
针对单框架磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统中的工程化问题，设计了三种方案：单体带式、
机械ＣＭＧ而言，ＣＭＳＭＧ高速转子系统具有无接触、无需润滑、低振动、寿命、长高精度以及对振动可主动控制等优点；框架Ｃ单ＭＧ结构简单且控制精度
首先，综合比较了传统单体带式、两体球壳和三体球
壳等框架结构方案；次，两体球壳框架的主要结其对构参数，进行了正交设计试验，取了设计变量中影选响 “ 率，量 ” 主要影响因素；次，频质的再以频率大于

基于PWM_ON_PWM调制方式的控制力矩陀螺框架电机驱动控制

胡跃伟，鲁明，田利梅，武登云
（北京控制工程研究所，北京１００１９０）
摘要：控制力矩陀螺框架电机驱动电路采用的脉宽调制方式不同 ห้องสมุดไป่ตู้ 所产生的电机转矩脉动也会不同．针对无刷直流电机驱动的控制力矩陀螺框架系统，从换相期间转矩脉动、非换相期间转矩脉动及
（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｒｉｎｇ１００１９０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｇａｒｄｉｎｇｔｈｅｂｒｕｓｈｌｅｓｓｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｍｏｔｏｒ（ＢＬＤＣ）ｕｓｅｄｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｍｅｎｔｇｙｒｏｇｉｍｂａｌ，ｔｈｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）ｍｏｄｅｓｏｆｔｈｅｆｕｌｌｂｒｉｄｇｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｈａｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｌｆｕｅｎｃｅｓｏｎ
第４０卷
第６期
空间控制技术与应用
ＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

控制力矩陀螺的框架结构工程分析

制线性度好、效率高等特点，因此在航天领域得到广泛的应用。
控制力矩陀螺由高转速的动量飞轮、支承飞轮的陀螺房、高
速驱动电机、框架（包括伺服驱动系统）等组成。它的框架用于支
承陀螺房，并驱动陀螺房转动，通过陀螺房转动迫使动量飞轮的
角动量改变方向，从而输出较大的控制力矩，实现对航天器姿态
的调节。其＿Ｔ作原理示意图，如图１所示。其中，陀螺Ｇ用于敏感
陀螺房的角速度，其信号经过转换、放大和校正后反馈给垂直
轴上的力矩电机，使电机输出控制力矩，驱动陀螺房发生转
方位环
动，则垂直轴上的旋转变压器可检测相对转角，从而实现系统
罔１ＣＭＧ工作原理示意图
１３４
机械设计与制造
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第２期２０１３年２月
控制力矩陀螺的框架结构工程分析
郎跃东，陈浩，高强，丁祝顺
（北京航天控制仪器研究所，北京１００８５４）
摘要：以控制力矩陀螺的框架结构为研究对象，利用ＡＮＳＹＳ有限元软件分析其结构刚度和振动模态等力学特性，得到其在大载荷作用下的应力、应变分布情况和多阶模态，并依据分析结果对框架结构进行了优化设计，以满足整个控制力矩陀螺系统的结构刚度和控制精度要求。有限元分析的结果表明通过优化设计可以使框架的结构刚度显著提高，同时使其动态特性也得到了有效改善，从而验证了在结构设计中进行工程分析的必要性和合理性，为相关的框架系统设计提供
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＣＭＧ；ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓ；ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＳｔｉｆｎｅｓｓ；ＶｉｂｒａｔｉｏｎＭｏｄｅ

控制力矩陀螺框架系统的谐振抑制与精度控制

文献标识码：Ａｄｉ１．７８ＯＰ．０２０２００ｏ：０３８／Ｅ２１２０．３５
中图分类号：２１５Ｖ４．
Ｒｅｏｎｅｅｉｉａｉｎａｄｐｅｉｉｎｃｎｔｏｆｓｎａｃｌｍｎｔｏｎｒｃｓｏｏｒｌｏ
ａｆｃｉｈｅｏｕｐｕｔｔｒｅａｃａｙｏｈｅＣＭＧ．Ｇｅｅａｌａｈａｍｏｃｄｒｖｒａｈｒｆｅｔｎｇｔｔｏｑｕｃｕｒｃｆｔｎｒｌｙ，ｒｎｉｉｅａｍｏｎｃｄｉｅｓａｉｒｖｒｉ —
第２Ｏ卷
第２期
光学精密工程
ＯｐｉｓａｅｉｉｎＥｎｎｅｒｎｔｃｎｄＰｒｃｓｏｇｉｅｉｇ
Ｖｏ１ＯＮＯ．．２２
２１０２年２月
Ｆｅｂ．２２０１
文章编号
１０ —２Ｘ２１）２００ — ８０４９４（０２０ — ３５０
ｄｐｅｏｉｐｏｅｔｅｄｎｍｉｒｓｏｓｂｌｙｏｈｉｂｌｙｔｍ，ｈｗｅｅ，ｈｄｃｄｍｅｈｎｃｌｏｔｄｔｍｒｖｈｙａｃｅｐｎｅａｉｔｆｅｇｍａｓｅｉｔｓｏｖｒｔｅｉｕｅｃａｉａｎ
ｒｓｎａｅｓｒｏｌｅｃｓｔｏｒｌｐｅｉｉｎｏｈｅｇｍｂａｙｔｍ．Ｉｒｒｔｌｍｉｔｈｅｏｅｏｎｃｅｉｕｓｙｒｄｕｅｈｅｃｎｔｏｒｃｓｏｆｔｉｌｓｓｅｎｏｄｅｏｅｉｎａｅｔｅｒｓ — ｎａｃｎａｉｆｈｅｏｒｌｒｃｓｏｆｔｍｂａｙｓｅ，ａｋｉｔｃｍｏｄｌｗａｓｔｕｎｅａｄｓｔｓｙｔｃｎｔｏｐｅｉｉｎｏｈｅｇｉｌｓｔｍｎｅｉｅｓｅｐ．Ａｒｐｏｐｅｒ

单框架控制力矩陀螺转子的稳速控制

单框架控制力矩陀螺转子的稳速控制林鲁超;徐开;陈长青;李峰;龚泽宇;曲直【摘要】为满足卫星姿态控制系统对单框架控制力矩陀螺(SGCMG)转子转速的动态以及稳态性能要求,提出了一种基于遗传算法拟双环-锁相环的双模控制方法,并在该方法中引入干扰力矩补偿控制,进而实现干扰情况下的稳速控制.为模拟电流环和转速环控制,利用遗传算法优化两组比例-积分(PI)参数组成参数可变的拟双环控制器,与锁相环组成双模控制可实现转速的快响应、低超调和高精度控制.针对SGCMG框架转动对转子转速产生扰动的问题,分析了扰动产生的原因,推导并结合实验数据得出了框架转速θ· 与干扰力矩Td的关系,在此基础上设计角速率前馈控制器,以力矩补偿的方式对干扰进行抑制.最终,转速波动可抑制到无补偿情况的15％,在期望转速4000 r/min的情况下,转速稳态误差小于0.045％.【期刊名称】《电光与控制》【年(卷),期】2019(026)008【总页数】6页(P95-100)【关键词】单框架控制力矩陀螺;遗传算法;双环控制;锁相环;框架干扰补偿;转子稳速【作者】林鲁超;徐开;陈长青;李峰;龚泽宇;曲直【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130000;中国科学院大学,北京 100000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130000;中国科学院大学,北京 100000;长光卫星技术有限公司,长春 130000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130000;中国科学院大学,北京 100000;长光卫星技术有限公司,长春 130000;长光卫星技术有限公司,长春 130000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130000;中国科学院大学,北京 100000【正文语种】中文【中图分类】TM330 引言单框架控制力矩陀螺(SGCMG)是一种航天器用高精度姿态控制执行机构。

通过驱动飞轮框架转动改变飞轮角动量方向，可以得到大小与框架角速度成正比的控制力矩，输入很小的框架角速度即可得到很大的控制力矩[1]，这对航天器的姿态控制具有重大意义。

基于DSP的控制力矩陀螺外框驱动控制系统设计

１前言
大型对地观测卫星、宙飞船以及空间站等宇
大型航天器的姿态控制需要大的输出力矩。常规
架控制力矩陀螺结构简单且控制精度较高，这是
单框架控制力矩陀螺的主要优点。在航天器姿态机动过程中需要控制力矩陀螺
Ａｂｔａｔ：ｓｒｃＣｏｎｔｏｌｍｏｅｒｓｔｍｐｔｎｔｐｒｔｉｕｄｏｎｔｏｌｈｐｃｔｉｎｓｓｅａｈｅｒｍｎｔｇｙｏｉｈｅｉｏｒａａｔｏｆａｔｔｅｃｒｔｅｓａｅｓａｔｏｙｔｍｎｄｔｏｆｏｂｓｒｅｓｔｌｉｅ．ＩｈｉｐｅｅｉｒｄｕｃｗＯｄｅｉｎａｄｇｉａｏｒｌｒｗｉｈＤＳＰＭＳ３ｅｖａｅｌｔｓｎｔｓｐａｒｗｎｔｏｅｈｏｔｓｇｉｔｌｃｎｔｏｌｅｔＴ２０ＬＦ２０７ｉ４ｎａ
输出大的控制力矩，航天器稳态运行时要求控在制力矩陀螺输出高精度、高平稳性的姿态控制力
矩，确保姿态控制精度，为此要求外框架驱动控制
航天器姿态控制系统的执行机构有喷管、量轮、动磁力矩器等，出力矩比较小，法满足大型航天输无器姿态控制和快速机动的要求。控制力矩陀螺输出力矩大、矩平稳、力动态响应快、控制线性度好、效率高，因而得到快速发展。根据框架的不同可以将控制力矩陀螺分为单框架和双框架控制力矩

带变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态控制

计相对容易。以上文献均未涉及ＶＳＭＧｓＣ框架及转子的摩擦，而在高精度控制时，摩擦力矩的影响不可忽略。文献［］摩擦建模和补偿控制等进行了全面细致的总结，文献［ — ］分别对６对控制力矩陀螺（ｏｓｎｐｅｏｔｌＭｏｎｒｓｏｅ，ＣＣｓ的４和［］ＣｎｔｔＳｅｄＣｎｒｍｅｔＧｙｏｃｐｓＳＭＧ）ａｏ航天器所设计的自适应姿态控制器，考虑了整星惯量、执行机构惯量以及摩擦系数等参数的误差，并采用自适应更新和神经网络逼近两种方法进行参数估计，效果良好。参数较多时神经网络的规模
ＳｒｅｋＬＧｒ这两种应用最多的摩擦模型进行了分析和应用。ＶＳＭＧｓ的转子转速可变，这ｔｉｃ和ｕｅｂＣ
使得转子轴上的动摩擦力矩也是时变的，从而增加了参数辨识和自适应控制器设计的难度。以往研
摘要航天器高精度姿态控制容易受到参数误差的影响，自适应控制能够合理地估计参数，使基于模型的控制器设计易于实现。自适应参数分为主星体惯量、变速控制力矩陀螺框架转子惯量及动摩擦系数３组，按参数分组对带变速控制力矩陀螺的航天器详细动力学模型
轨辨识所需输入激励，自适应控制是解决这类问题的有效手段之一。
文献［］对整星惯量误差设计了１适应姿态控制器及ＶＳＭＧ２针９Ｃｓ卸载控制律；文献［］用归３采

控制力矩陀螺工作原理

控制力矩陀螺工作原理
控制力矩陀螺是一种利用陀螺效应来实现姿态控制的装置。

它的工作原理是利用陀螺的自转来产生一个力矩，从而实现对飞行器的姿态控制。

陀螺效应是指当一个旋转体的自转轴发生偏转时，它会产生一个力矩，使得旋转体的自转轴发生回归运动。

这个效应可以用来实现姿态控制。

控制力矩陀螺就是利用这个效应来实现飞行器的姿态控制。

控制力矩陀螺通常由一个旋转体和一个控制系统组成。

旋转体通常是一个圆盘形的陀螺，它的自转轴与飞行器的姿态轴垂直。

当飞行器发生姿态变化时，旋转体的自转轴也会发生偏转，从而产生一个力矩。

这个力矩可以通过控制系统来控制，从而实现对飞行器的姿态控制。

控制系统通常由一个陀螺仪和一个控制器组成。

陀螺仪用来检测飞行器的姿态变化，从而产生一个反馈信号。

控制器根据反馈信号来计算出控制力矩陀螺需要产生的力矩，并将其传递给旋转体，从而实现对飞行器的姿态控制。

控制力矩陀螺的优点是具有快速响应、高精度和可靠性高等特点。

它可以用于各种类型的飞行器，包括飞机、直升机、卫星等。

在航空航天领域，控制力矩陀螺已经成为一种重要的姿态控制装置。

控制力矩陀螺是一种利用陀螺效应来实现姿态控制的装置。

它的工
作原理是利用陀螺的自转来产生一个力矩，从而实现对飞行器的姿态控制。

控制力矩陀螺具有快速响应、高精度和可靠性高等特点，已经成为航空航天领域中不可或缺的姿态控制装置。

200Nms单框架控制力矩陀螺的热平衡试验

２００Ｎｍｓｓｎｌ — ｉｂｌｏｔｏｍｏｎｕｉｇｅｇｍａｃｎｒｌｍｅｔｍｇｒｈａｅｅｎｎｒｄｃｄ．１ｔｒｏｅｅｓｒｌｉａｙｏｖｂｅｉｔｏｕｅ６１ｈｅｍｍｔｒａｅａｄｔ
虎刚，映霞，金涛徐吴
（北京控制工程研究所，京１０８）北０００
摘要：制力矩陀螺是一种用于大型航天器的大功率惯性执行机构，热特性控其
不仅是影响其自身Ｘ作性能的基本因素，是整星热控设计需要考虑的重要因－．也
ＡｂｔａｔＴｅｓｇｅｇｍｂｌｃｎｒｌｍｏｎｕｙｏＳＭＧ）ｉａｍｐｅｐｗｅｎｒａｃｕｔｒｕｅｓｒｃ：ｈｉｌ—ｉａｏｔｍｅｔｍｇｒ（ＧＣｎｏｓｎａｌｏｒｉｅｔｌａｔａｏｓｄｉ
ＴｈｅｍａｌｎｅＴｅｔｏ０ＮｍｓＳｎｇｅＧｉｂｌＣＭＧｒｌＢａａｃｓｎａ２０ｉｌ－ｍａ
ＨＵｎＧａｇ，ＸＵＹｉｇｉｎｘａ，ＷＵＪｎａｉｔｏ
（ｅｉｎｔｕｅｆＣｎｏＥｇｎｅｎ，ｅｉ０００ＣｉａＢｒｇＩｓｔｔｏｏｔｌｎｉｅｒｇＢｉｇ１０８，ｈｎ）ｎｉｒｉｊ期
空间控制技术与应用
ＡｅｏｐｃｎｔｏｎｒｓａｅＣｏｒｌａｄＡｐｐｉａｉｎｌｔｏｃ・２・５
２００８年２月

一种高性能控制力矩陀螺框架控制方法的仿真研究

电机在相同坐标系下的机械方程：
环控制系统稳定性．框架角速率极低时，为获得准确的角速度值，以
提高闭环系统的稳定性和控制精度，采用状态观测器获取角速度信息．
目前已得到充分研究的无速度传感器的方法有卡尔曼滤波法，Ｌｕｅｎｂｅｒｇｅｒ观测器，模型参考自适应方法，基于神经网络的自适应等方法．基于模型的收敛性、稳定性及计算量等的分析的基础上，本文基于Ｌｙａｐｕｎｏｖ稳定性理论，设计了电机运行状态的Ｌｕｅｎｂｅｒｇｅｒ观测器，在框架角速度极低时获取角速度观测值，并将该角速度观测值引入框架闭环控制系统．仿真结果验证了提出的方案的有效
锦Ｊ．
第２期
张雪等：一种高性能控制力矩陀螺框架控制方法的仿真研究
‘３７ ·
图１框架控制结构框图
Ｆｉｇ．１Ｇｉｍｂａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍ
考虑到采用了ｉ＝０的矢量控制方案，闭环系
ｄ， — — ｄ、ｑ轴电感；
— — 定子绕组等效电感；
，Ｊ —— 任意两定子绕组间的等效互感；
∞ ， —— 转子电角度，机械角度；
—
—
电机转子永磁体磁链幅值；
— — 两相转子坐标系下永磁体等效磁链幅

控制力矩陀螺框架系统高精度复合控制研究

第１８卷
第５期
载人航天
Hale Waihona Puke Ｖ１１Ｎ．ｏ８ｏ５．
１９
２１年９０２月
控制力矩陀螺框架系统高精度复合控制研究
徐向波，房建成，杨莲慧
（京航空航天大学惯性技术重点实验室新型惯性仪表与导航系统国防重点学科实验室，北
其中，、为ｄｇ坐标轴上的定子磁通分量；、、Ｌ
＝
１ｐ４ｉ－）．（ｄ０ｉ５，
（）３
（）动方程：４运
￣
－
ｅ
ｒ—ｔＬｂｏ
（）４
图１Ｃ为ＭＧ框架系统组成简图。旋转变压器与轴角解码器解算出永磁同步电机转子的角位置和角速度，电流互感器输出两相电机绕组电流，据角位根置和两相绕组电流通过Ｃａｋ变换和Ｐｒ变换得到ｌｅｒａｋ
北京１０９）０１１摘要控制力矩陀螺（ＭＧ是大型航天器姿态控制的关键执行机构，控制力矩陀Ｃ）
螺框架系统的控制精度是影响其输出力矩精度的重要因素。为满足框架系统的恒速控制精度和随动控制精度，采用反馈控制与前馈控制相结合的复合控制方法；建立了采用永磁同步电机的框架系统动力学模型，采用矢量控制方法及高精度的角位置和角速度反馈控制有
方法来设计前馈系数，而模糊控制算法较为复杂，然需要大量的调试经验，复控制器ｌ０常用来提高重９】．也１

单框架控制力矩陀螺的动力学分析

ｌ
甸化
单框架控制力矩陀螺的动力学分析
Ｄｙｎａｍｉｃｓａｎａｌｉｉｇｌｍｂａｌｙｓｓｏｆｓｎｅｇｉｃｏｎｔｏｌｍｏｍｅｎｔｇｙｒｃｏｐｅｒｏｓ
刘晓东，陈明花，徐学伟
ＬＵＸｉｏｄｎ．Ｉａ — ｏｇＣＨＥＮＭｉｇｈａＸＵＸｕ－ｎ．ｕ．ｅｗｅｉ
。ｍ
＿
束，来计算整个内框装配体的实特征值。为了准确进行模态分析，将螺栓连接采用多点约束（Ｃ）的ＲＥ模型来模拟。ＭＰＢ２
２３材料性能．
本力矩陀螺主要使用了四种材料：不锈钢，
０引言
单框架控制力矩陀螺（ｉｇｅｇｍｂｌｃｎｒｌｓｎｌｉａｏｔｏｍｏｎｙｏｃｐ，简写为ＳＣｍｅｔｒｓｏｅｇＧＭＧ作为航天器姿）
线性、平稳、各态历经以及高斯型。随机振动属
强迫运动，其外力不是以力而是以与频率相关的位移、速度和加速度的形式施加于线性系统口。Ｊ
阶段有必要对单框架控制力矩陀螺的动态性能进行研究。本文利用有限元软件ＭＳＰｔｎＮａｔｎ单Ｃ．ａｒ／ｓａ对ａｒ
由于力矩陀螺属于大模型大量激励频率，故本文采用模态频率响应分析来计算结构频率响应。对简谐激励下有阻尼强迫振动的运动方程可

天宫一号目标飞行器用200Nms单框架控制力矩陀螺高速转子轴承组件的

开发利用5年期科技档案参考文献[1]岳艳明.高校图书馆电子阅览室利用和管理对策研究[J].河南图书馆学刊，2013，33（8）：49-50.[2]王辉，孙克峰.高校图书馆电子阅览室的管理与建设[J].河北科技图苑，2013，26（4）：73-74.[3]张兴俊.浅析电子阅览室的服务和管理[J].云南图书馆，2013（2）：32-33.“天宫一号”是我国第一个目标飞行器和空间实验室，是我国载人航天工程的第二个重要阶段。

控制力矩陀螺高速转子是“天宫一号”目标飞行器的关键姿态控制部件，直接影响到目标飞行器的运行姿态和对接状态。

控制力矩陀螺具有输出力矩光滑、控制精度高和输出力矩大、动态响应快的特点。

因此空间站和大型卫星广泛采用控制力矩陀螺来进行姿态控制，各国都在此领域投入了巨大的人力、物力。

我国在控制力矩陀螺的研究方面起步较晚，到20世纪90年代，才正式开展对空间惯性控制力矩陀螺的试验与应用研究。

国际上控制力矩陀螺研制水平较高的有德国TELD I X 公司和美国BEND I X 公司以及俄罗斯的礼炮设计局，他们对动量轮的研天宫一号目标飞行器用200Nm s 单框架控制力矩陀螺高速转子轴承组件的研制和应用制与开发起步于20世纪60年代，至今已系列化、标准化批量生产，其技术水平代表了国际领先水平。

目前国内在动量轮研发技术上同国外存在着一定的差距，主要表现在：（1）控制力矩陀螺的可靠性较低，国外动量轮5年、10年地面寿命试验的可靠度分别达到0.98和0.96。

国内在可靠性试验方法和寿命评估还处于试验阶段。

（2）控制力矩陀螺的功耗、重量主要反映了产品的技术水平，经对比分析，国内控制力矩陀螺在功耗、重量上偏大10％～40％。

（3）国外对控制力矩陀螺轴承的优化设计技术、润滑技术、高速转子检测筛选技术等各个方面都进行了大量详尽而深入220141开发利用6科技档案年第期的研究，从而保证了产品的高可靠性。

由于控制力矩陀螺在空间飞行器中的重要性，国外对这方面的关键技术实行保密。

混合控制技术(飞轮+控制力矩陀螺)

一、混合控制背景控制力矩陀螺(CMGs)与动量轮(MWs)都属动量交换装置，是航天器姿控系统采用的主要执行机构。

动量轮能产生精确连续但幅值较小的力矩，通常应用于中小型高精度三轴稳定卫星。

单框架控制力矩陀螺(SGCMGs)输出力矩大且控制效率高，适用于长寿命大型航天器，但其固有的构型奇异给操纵律设计带来了很大困难。

另一类单框架变速控制力矩陀螺(VSCMGs)在仅姿控时没有奇异问题，但由于其结构和控制的复杂性，至今尚未应用于工程实际。

鉴于SGCMGs和MWs在技术上都比较成熟，采用两者组成混合执行机构，可以取长补短，发挥各自的优势，共同实现航天器的高性能姿态控制。

二、混合控制研究进展混合执行机构的概念提出较早。

早在1973年就提出采用金字塔构型SGCMGs 和三个MWs共同进行大型太空望远镜姿态稳定控制的方案，在不考虑外干扰力矩时，仿真结果很好[1]。

其后，文献[2]提出在航天器姿态机动控制中可用SGCMGs 进行姿态粗控，MWs进行姿态精确调整的方案，并设计了相应的控制器，取得了很好的效果。

对于带有大型运动部件的卫星，文献[错误！未定义书签。

]提出利用金字塔构型MWs进行本体姿态控制，而利用1个SGCMG补偿运动部件产生的干扰力矩，也得到了很好的仿真结果。

在航天器能量姿态一体化控制中，也提出利用SGCMGs与MWs共同完成这一任务的方案[3,4]。

由此可见，针对不同的航天任务，可对SGCMGs和MWs进行合理配置，以实现高性能的姿态控制。

实际上，仅利用SGCMGs进行航天器姿态跟踪时，现存的操纵律都会遇到一些问题：零运动操纵律无法避免显奇异点，且在SGCMGs构型接近奇异时，框架角速度解过大甚至无解；而鲁棒伪逆和广义鲁棒伪逆操纵律旧[5]都会导致力矩误差，使跟踪精度下降。

因此可考虑利用SGCMGs和MWs组成的混合执行机构来解决这些问题。

文献[6]基于姿态跟踪任务对混合执行机构奇异性进行分析的基础上，利用奇异值分解的方法对指令力矩进行了显示分配，将SGCMGs奇异时沿奇异方向的指令力矩分配给MWs。

控制力矩陀螺工作原理

控制力矩陀螺工作原理
控制力矩陀螺是一种基于陀螺效应的控制器件，其工作原理可以简单
地概括为：通过旋转惯性轮产生陀螺效应，从而产生稳定的力矩，实
现姿态控制。

具体来说，控制力矩陀螺由惯性轮、电机、控制电路等组成。

当电机
启动时，惯性轮开始高速旋转，此时惯性轮会产生一个自身的角动量，并且由于角动量守恒定律的作用，整个系统也会产生一个与惯性轮相
反方向的角动量。

这个角动量就是所谓的“陀螺效应”。

在实际应用中，我们通常需要利用这个陀螺效应来实现姿态控制。

例如，在航天器中使用控制力矩陀螺可以实现对姿态的精确调整和稳定
维持。

当航天器需要进行姿态调整时，我们可以通过改变电机转速或
者改变惯性轮旋转方向来改变系统产生的角动量，并且根据牛顿第三
定律得知相应方向上会产生一个稳定的力矩。

通过不断调整这个力矩
的大小和方向，我们就可以实现对姿态的控制。

除了航天器，控制力矩陀螺还可以应用于其他领域。

例如，在惯性导
航系统中使用控制力矩陀螺可以实现对飞行器的精确定位和导航；在
机器人领域中使用控制力矩陀螺可以实现机器人的平衡和姿态调整等。

总之，控制力矩陀螺是一种基于陀螺效应的控制器件，其工作原理是通过旋转惯性轮产生稳定的角动量，并利用牛顿第三定律产生相应方向上的稳定力矩来实现姿态控制。

在实际应用中，我们可以通过改变电机转速或者改变惯性轮旋转方向来调整系统产生的角动量和力矩大小和方向，从而实现精确的姿态调整和稳定维持。

一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法[发明专利]

专利名称：一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法专利类型：发明专利
发明人：郭雷,崔洋洋,乔建忠,朱玉凯,许昱涵
申请号：CN201910778318.5
申请日：20190822
公开号：CN110456630A
公开日：
20191115
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制方法，针对控制力矩陀螺框架伺服系统面临转子动不平衡引起的高频振动干扰、摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态多源干扰问题，首先，建立含有转子动不平衡引起的高频振动干扰、摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态多源干扰的控制力矩陀螺框架伺服系统的动力学模型；其次，对转子动不平衡引起的高频振动干扰建立干扰模型并设计谐波干扰观测器对其进行估计；然后，在反馈通道设计积分滑模控制器对摩擦力矩、电机力矩摄动、未建模动态进行抑制，最后完成控制力矩陀螺框架伺服系统抗干扰控制。

本发明具有工程实用性强、抗干扰性高等优点。

申请人：北京航空航天大学
地址：100191北京市海淀区学院路37号
国籍：CN
代理机构：北京科迪生专利代理有限责任公司
更多信息请下载全文后查看。

单框架控制力矩陀螺系统操纵律研究综述

单框架控制力矩陀螺系统操纵律研究综述单框架控制力矩陀螺系统操纵律是指在单一框架结构下，通过控制力矩陀螺的旋转来实现系统的操纵。

该系统广泛应用于飞行器、导弹等领域，因其能够快速且高效地实现姿态控制而备受关注。

在单框架控制力矩陀螺系统中，操纵律研究是控制系统设计的核心问题。

目前，研究者们主要关注以下几个方面：
1. 基于PID控制的操纵律设计
PID控制器是最常用的控制器之一，其稳定性和鲁棒性得到广泛认可。

基于PID控制的操纵律设计方法被广泛应用于单框架控制力矩陀螺系统中，其中包括传统的PID控制器和改进的PID控制器，如模糊PID控制器和自适应PID控制器等。

2. 基于神经网络的操纵律设计
神经网络具有非线性映射和自适应性能，因此在单框架控制力矩陀螺系统中也被广泛应用于操纵律设计。

基于神经网络的操纵律设计方法包括BP神经网络、RBF神经网络等。

3. 基于滑模控制的操纵律设计
滑模控制器是一种非线性控制方法，其具有对模型误差和干扰的鲁棒性。

因此，在单框架控制力矩陀螺系统中，基于滑模控制的操纵律设计方法也备受研究者关注。

除此之外，还有许多其他的操纵律设计方法，如基于模糊逻辑控制的方法、基于H∞控制的方法等。

这些方法各具特点，适用于不同的系统和环境。

总之，单框架控制力矩陀螺系统操纵律的研究是一个复杂的问题，需要考虑多种因素。

未来，随着控制理论和技术的不断发展，相信会有更多的有效方法被提出来，为该领域的研究和应用带来更多的机遇和挑战。

控制力矩陀螺工作原理

控制力矩陀螺工作原理
控制力矩陀螺是一种通过控制力矩实现稳定性的设备。

它利用陀螺效应来实现自稳定，并通过控制力矩来改变其姿态。

控制力矩陀螺的工作原理可以简单地分为三个步骤：感知姿态、计算控制力矩和施加控制力矩。

控制力矩陀螺需要感知自身的姿态。

为了实现这一点，陀螺通常会使用陀螺仪或惯性测量单元（IMU）来测量陀螺的角速度和加速度。

通过对这些测量值进行处理和分析，陀螺可以获得当前的姿态信息。

接下来，控制力矩陀螺需要计算出适当的控制力矩。

这个过程通常需要使用控制算法来根据当前的姿态信息和所需的姿态调整目标来计算出合适的力矩。

这个过程可以非常复杂，需要考虑到多个因素，如姿态的稳定性、控制的灵敏度和响应速度等。

控制力矩陀螺需要施加计算得到的控制力矩。

为了实现这一点，陀螺通常会使用电机或其他执行机构来产生所需的力矩。

通过控制这些执行机构的输出，陀螺可以改变自身的姿态，并实现所需的控制效果。

需要注意的是，控制力矩陀螺的工作原理并不限于上述三个步骤。

实际上，它们可能还包括其他的过程和技术，如传感器校准、噪声抑制和误差补偿等。

这些额外的步骤和技术可以提高陀螺的性能和稳定性。

总的来说，控制力矩陀螺通过感知姿态、计算控制力矩和施加控制力矩来实现稳定性。

它利用陀螺效应和控制算法来改变自身的姿态，并实现所需的控制效果。

这种设备在航天、导航、无人机等领域有着广泛的应用，为各种应用场景提供了可靠和高效的姿态控制解决方案。