磁悬浮控制敏感陀螺多自由度动量交换方法研究

Magnetically Suspended Control & Sensing Gyroscope (MSCSG ) is a new type of multi degree of freedom (DOF) momentum exchange device which integrates the satellite attitude control and attitude measurement functions, can implement agile satellite attitude maneuver with high dynamic and high precision attitude stability control in different control bandwidth. The MSCSG multi-DOF momentum exchange method in the attitude control for flexible agile satellite is investigated. First, from the perspective of MSCSG rotor universal deflection characteristics, the flexible agile satellite multi-DOF torque control mechanism based on MSCSG is analyzed. Second, the agile satellite attitude maneuver dynamic model containing MSCSG is built, the appropriate controller is selected and reasonably improved, then the flexible agile satellite multi-freedom robust adaptive control law based on MSCSG is studied. Third, the MSCSG gyro and flywheel moment characteristics and applicable scope is analyzed, considering the agile satellite vibration suppression, based on multi-DOF torque optimal control and multi-DOF satellite vibration suppression, the MSCSG steering law is researched. Finally, in order to test and verify the proposed method for MSCSG multi-DOF momentum exchange, the multi-DOF attitude control digital simulation system for agile satellite based on the MSCSG is designed and implemented by Simulink software.

磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）是一种集卫星姿态控制功能和姿态测量功能于一体的新型多自由度动量交换装置，能够以不同的控制带宽实现敏捷卫星快速机动时高动态姿态机动与高精度姿态稳定控制。本项目首次对MSCSG在挠性敏捷卫星姿态控制中的多自由度动量交换方法展开研究。首先，从MSCSG转子万向偏转特性角度，分析基于MSCSG的挠性敏捷卫星多自由度力矩控制机理。其次，构建包含MSCSG的敏捷卫星姿态机动动力学模型，选取合适的控制器并进行合理的改进，研究基于MSCSG的挠性敏捷卫星多自由度鲁棒自适应控制律。再次，分析MSCSG陀螺力矩和飞轮力矩的特征和适用范围，考虑敏捷卫星姿态振动抑制问题，研究基于多自由度力矩最优控制和多自由度星体振动抑制的MSCSG操纵律。最后，采用Simulink软件设计实现基于MSCSG的敏捷卫星多自由度姿控数字仿真系统，对项目提出的MSCSG多自由度动量交换方法进行仿真验证。

本项目面向高分侦察卫星对超稳超静航天器姿态控制和振动抑制技术需求，开展基于磁悬浮技术的新一代姿控部件和系统及其应用研究。完成了磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）方案设计和多自由度力矩控制原理分析。提出了一种双球面内转子结构方案，采用轴向球面和径向球面磁阻式磁轴承控制转子的3自由度平动，在双球面包络范围内，通过洛伦兹力磁轴承精确控制转子2DOF万向偏转，实现了MSCSG转子五自由度全主动控制、全通道磁路解耦，为MSCSG多自由度高精度高带宽力矩输出提供了方案支持，建立了基于有限元命令流的双球面转子参数化模型，仿真分析了双球面转子的静力学和动力学特性。MSCSG多自由度动量交换功能由转子轴向转速变化输出的1DOF飞轮力矩和转子径向万向偏转输出的2DOF陀螺力矩组成。结合课题组MSCSG原理样机研制工作，开展了磁轴承和电机电路控制系统调试，实现了MSCSG磁悬浮双球面转子稳定悬浮和高速旋转，测试验证了MSCSG多自由度动量交换功能性能，其2DOF万向偏转力矩带宽达100Hz。进而基于MSCSG高精度高带宽万向偏转力矩特性研究航天器高频振动主动控制方法。分析了基于MSCSG卫星振动的高精度可观性和多自由度高带宽可控性，构建磁悬浮转子动力学模型和基于MSCSG的姿态控制动力学模型，考虑卫星动量不确定性，研究了基于单个和多个MSCSG转子平衡操纵律和多自由度星体振动解耦控制律。设计实现基于MSCSG多自由度动量交换方法的敏捷卫星快速高精度姿态控制数字仿真系统，比较分析MSCSG和传统动量交换装置在敏捷卫星快速高精度姿态控制中的综合性能。项目研究成果构建了MSCSG多自由度动量交换和基于磁悬浮转子万向偏转力矩高动态主动振动控制方法，对促进新型磁悬浮惯性器件工程化应用和超稳超静航天器姿态控制技术发展具有重要的意义。