控制力矩陀螺的不确定耦合动力学、变结构控制与扰动重复补偿

In this project, the control moment gyro (CMG) used on space is researched from the aspects of the uncertain coupling dynamics, the variable structure control (VSC) strategy under the uncertain space environment, the repetitive compensation strategy for multi-source and strong coupling disturbance, and the experimental study. The uncertain coupling dynamic influencing factors and their relationships will be investigated, and the uncertain coupling dynamics will be established. Then,the influences of space environment and system parameters for the CMG will be analyzed, and the finite time sliding mode control strategy will be introduced to solve the robust control problem.After that, disturbance compensator based on repetitive control will be designed, combining with the finite time sliding mode control strategy to solve the key problem of multi-source and strong coupling disturbance attenuation. Finally, experiment platform will be established for experiment studies of the proposed strategies. This project aims to theoretically and technologically solve the key problem of further improvement of control performance under the uncertain space environment and multi-source and strong coupling disturbance for the CMG. This project has important research value and practical significance for improving the development level of high-performance attitude control actuators of high precision space platform.

本项目围绕空间控制力矩陀螺的不确定耦合动力学、不确定空间环境下的变结构控制策略、多源强耦合扰动的重复补偿策略以及实验研究开展工作。研究控制力矩陀螺在空间不确定耦合条件下的动力学不确定因素及相互耦合关系，建立一种不确定耦合动力学；分析空间环境及系统参数变化对控制力矩陀螺控制性能的影响，采用基于有限时间滑模变结构控制策略解决控制力矩陀螺的鲁棒控制问题；利用重复控制思想设计一种扰动补偿器，结合有限时间滑模变结构控制策略解决多源强耦合扰动抑制的难点问题；最后，建立实验平台，进行提出方法的实验研究。本课题旨在基础理论方法和关键技术两个层面解决控制力矩陀螺目前存在的在不确定空间环境和多源强耦合扰动条件下控制性能难以进一步提高的问题，对于提高我国高精度空间平台高性能姿控执行机构的研制水平具有重要研究价值和现实意义。

本项目为国家自然科学基金青年基金项目（项目批准号：11402019），研究周期为3年，目前已按照申请书及计划书批复完成全部研究任务。本项目研究控制力矩陀螺的不确定耦合动力学、变结构控制与扰动重复补偿，通过精确动力学模型的建立与分析、变结构控制方法研究、多源扰动抑制方法研究，提出了切实可行的控制方案，有效提高了控制力矩陀螺的控制性能，有效提高了控制力矩陀螺对空间不确定性、参数不确定性的鲁棒性，并通过仿真和试验完成了方法验证。通过项目研究，在控制力矩陀螺动力学及控制的基础理论方法和关键技术两个层面实现了技术突破，大幅提升了控制力矩陀螺的技术指标。研究成果包括：1、研究报告4份，模型2套；2、论文11篇；3、培养研究生3名；4、专利8项。.项目研究人员均按照拟定的计划完成了研究内容，并取得了相关的研究成果，研究过程中，积极与外界交流合作，多次参加国内外的学术会议。培养了3名工程师成为高级工程师，培养了3名研究生。.项目研究中取得研究成果已广泛应用到控制力矩陀螺的设计与分析中，包括在轨问题的分析，异常问题的定位，以及新型控制力矩陀螺的指标分析分解中，形成的控制方法并已应用到XX型号的控制力矩陀螺产品中。另外，项目取得的成果也为未来极高精度控制力矩陀螺和极高精度卫星姿控平台奠定了技术基础，具有广阔的应用前景。