磁悬浮支承的两自由度惯性稳定平台奇异非线性解耦机理研究

Guiding by the requirements of "National major projects high-resolution earth observation system" and "space technology",inertial stabilization platform is the key component of the high-resolution imaging system. Stabilization platform with two DOF(degree of freedom) is the optimal scheme for equipment miniaturization due to compact frame. The singular nonlinear problem restricts the further application of the technology. Magnetic suspension supporting method is inroduced to solve the problem of singular nonlinear decoupling control, utilizing the micro-motion characteristics of magnetic bearing. Based on mechanism analysis, a small magnetic ring is proposed and the electromagnetic and dynamics models are analyzed.Multi-body dynamics model of the two DOF inertial stabilization platform with magnetic suspension supporting is established and the control method sloving the stability problem of switching controller is also studied. Finnally, the effectiveness of model parameters and control algorithm is validated by experiments. Through the above research, singular nonlinear decoupling control of two DOF inertial stabilization platform with magnetic suspension supporting is realized and this work provides technical basis in high resolution observation imaging applications.

惯性稳定平台是在“国家高分辨率对地观测系统重大专项”和“空间技术领域”亟需发展的牵引下，实现高分辨率观测成像的关键系统。两自由度框架结构稳定平台具有结构简单紧凑的优势，是使装备轻小型化的首选方案，但是存在的机械动力学奇异非线性问题制约了该技术的进一步推广。本项目创新性的引入磁悬浮支承技术，利用磁轴承的框架微动性能，解决奇异非线性条件下的解耦控制问题，项目立足机理分析，提出了一种小型一体化环状磁轴承，建立其电磁力及运动学模型，研究了磁悬浮支承的两自由度惯性稳定平台多体动力学模型，研究了多模型切换控制器解决不同控制器结构的切换稳定性问题。最后通过实验验证机理模型参数和控制算法的有效性。通过上述研究，实现两自由度惯性稳定平台奇异非线性解耦控制，为两自由度惯性稳定平台在高分辨率观测成像系统中的应用提供技术基础。

本项目围绕实现高分辨率观测成像的惯性稳定平台技术，针对两自由度框架稳定平台结构简单紧凑的特点，开展了奇异条件下的两自由度惯性稳定平台稳定跟踪技术研究。项目首先研究了一种小型一体化环状磁轴承的理论模型，采取磁路法和有限元法计算了电流刚度、位移刚度、扭转刚度及磁轴承框架微动范围，并提出一种基于磁荷法的数学解析模型，该模型具有明显的物理意义和高效的设计计算能力，对优化永磁体结构设计具有显著意义。研究中发现虽然磁轴承的被动悬浮稳定实验效果良好，但磁轴承存在承载力低、动态响应较慢的特点在特定飞行环境下使用存在问题，有待继续开展应用基础研究。研究了机械支撑两轴稳定平台奇异条件的跟踪方法，虽然机械支撑的两轴稳定平台理论上不能实现完全解耦，但通过捷联式稳定平台的设计方案优化和所提出新型高动态解耦控制方法研究，可以满足工程应用，并取得了良好的飞行试验结果，填补了两轴惯性稳定平台奇异区域光电跟踪领域的国内技术空白，该技术展示了良好的应用前景。