一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统及方法技术方案

一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统及方法，系统在双环PI控制系统基础上嵌入前馈补偿模块和算法切换模块；在预设的Ng个控制周期内，设置整个框架控制系统工作在PI控制模式；从Ng+1控制周期开始，在每个控制周期，通过算法切换模块计算当前控制周期内CMG框架转速精度，确定是否需要切换当前控制周期的控制模式，若切换后为前馈补偿模式，则将速度环PI控制器输出的力矩参考值与反馈的框架电机的转矩做差，得到当前控制周期的机械转矩误差ej+1，前馈补偿模块根据ej+1计算当前控制周期的电流前馈补偿值Δiqref,j+1，将Δiqref,j+1加入所述的双环PI控制系统；若切换后为PI控制模式，则封锁电流前馈补偿，按照双环PI控制系统进行控制。

【技术实现步骤摘要】
一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统及方法
本专利技术涉及一种满足航天应用要求的控制力矩陀螺高精度框架控制方法，在航天应用条件下，可满足高精度框架控制要求。
技术介绍
航天领域中，控制力矩陀螺中框架组件的转速控制精度对整机的工作性能有直接影响，对卫星的姿态稳定性与姿态控制精度起着重要作用。单框架控制力矩陀螺低速框架的驱动一般使用永磁同步电机。在结合了矢量控制后，永磁同步电机具有在低速转动状态下输出力矩精度高，控制性能好的特点。为了提高永磁同步电机的输出力矩精度，即抑制电机的输出力矩波动，DaningZhou提出了双环PI控制器的方法：DaningZhou,“TheDesign,GroundTestandFlightValidationofaHighAccuracyServoSchemeforControlMomentGyroscopeApplication,”19thIFACSymposiumonAutomaticControlinAerospace,2013.09，pp.466～471该方法得到了在轨验证，取得了良好的控制效果。随着卫星成像分辨率的进一步提高，如何进一步提高控制力矩陀螺输出力矩的精度，即抑制框架转速波动，成为了控制力矩陀螺输控制技术需要解决的一个棘手问题。经过理论分析由于高速转子的动不平衡产生的一个周期性变化的扰动力矩会直接作用在框架上，是控制力矩陀螺输低速框架转速波动的一个重要来源。为实现对输出力矩的高精度控制，就必须消除动不平衡产生的扰动力矩。双环PI控制器，在抑制这种频率较高且幅值较大的扰动上，不能够达到理想的效果。专利
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统及方法。本专利技术的技术解决方案是：一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统，包括双环PI控制系统，所述的双环PI控制系统包括速度环PI控制器、电流环PI控制器、框架电机和CMG框架；前馈补偿模块和算法切换模块；在预设的Ng个控制周期内，设置整个框架控制系统工作在PI控制模式，即按照双环PI控制系统进行控制；从Ng+1控制周期开始，通过算法切换模块计算当前控制周期内CMG框架转速精度，根据算法切换逻辑结合框架转速精度，确定是否需要切换当前控制周期的控制模式，若切换后当前控制周期为前馈补偿模式，则在当前控制周期Tj+1，将速度环PI控制器输出的力矩参考值与反馈的框架电机的机械转矩做差，得到当前控制周期的机械转矩误差ej+1将该机械转矩误差ej+1输入前馈补偿模块，由前馈补偿模块计算当前控制周期的电流前馈补偿值Δiqref,j+1，通过算法切换模块将Δiqref,j+1加入所述的双环PI控制系统；；若切换后当前控制周期为PI控制模式，则封锁电流前馈补偿，按照双环PI控制系统进行控制。当前控制周期的电流前馈补偿值Δiqref,j+1计算公式如下：其中，Nf为补偿周期所对应的控制周期数；所述的补偿周期为框架电机高速转子的转动周期；ej+1-Nf为上一补偿周期的机械转矩误差；Δiqref,j+1-Nf为上一补偿周期的电流前馈补偿值，电流前馈补偿初值为0；α为遗忘因子，α∈[0,1]；K1、K2为补偿系数，补偿系数取值满足：0<K2≤K1。所述的CMG框架转速精度的计算公式如下：其中，θg：角度增量名义值，即根据外部的转速指令计算出的框架指令转角值；实测平均值，为实测的第k次CMG框架的转角值。所述的算法切换逻辑如下：(4.1)判断当前控制模式，若当前控制周期工作在PI控制模式下，则进入步骤(4.2)；若工作在前馈补偿模式，则进入步骤(4.3)；(4.2)判断当前控制周期的CMG框架转速精度VG是否大于ε，若VG>ε，则计数值Count清零，当前控制周期控制模式保持不变，当前控制周期判断结束；否则计数值Count+1，并进一步判断Count是否大于预设的门限次数N，若Count>N，则计数值Count清零，并将当前控制周期的控制模式切换为前馈补偿模式；若Count≤N，则当前控制周期控制模式保持不变，当前控制周期判断结束；(4.3)判断当前控制周期的CMG框架转速精度VG是否小于等于ε，若VG≤ε，则计数值Count清零，当前控制周期控制模式保持不变，当前控制周期判断结束；否则计数值Count+1，并进一步判断Count是否大于预设的门限次数N，若Count>N，则计数值Count清零，并将当前控制周期的控制模式切换为PI控制模式；若Count≤N，则当前控制周期控制模式保持不变，当前控制周期判断结束；上述，ε为转速精度规范值，Count初值为0。一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制方法，包括PI控制模式和前馈控制模式两种控制模式；(1)从起始控制到预设的Ng个控制周期内，按照PI控制模式对CMG框架进行控制；(2)进入第Ng+1个控制周期，设置计数值Count初值为0；(3)在当前控制周期Tj+1，将转速给定值ωref与采集的框架电机的转速值ωm做差，根据该差值得到力矩参考值Tref，将该转矩参考值Tref除以电机等效力矩系数kt，得到q轴电流的初始给定值iqref0；j初始值为Ng；(4)计算CMG框架在当前控制周期的转速精度VG，按照下述逻辑进行判断：(4.1)判断当前控制模式，若当前控制周期工作在PI控制模式下，则进入步骤(4.2)；若工作在前馈补偿模式，则进入步骤(4.3)；(4.2)判断当前控制周期的CMG框架转速精度VG是否大于ε，若VG>ε，则计数值Count清零，当前控制周期控制模式保持不变，当前控制周期判断结束；否则计数值Count+1，并进一步判断Count是否大于预设的门限次数N，若Count>N，则计数值Count清零，并将当前控制周期的控制模式切换为前馈补偿模式；若Count≤N，则当前控制周期控制模式保持不变，当前控制周期判断结束；(4.3)判断当前控制周期的CMG框架转速精度VG是否小于等于ε，若VG≤ε，则计数值Count清零，当前控制周期控制模式保持不变，当前控制周期判断结束；否则计数值Count+1，并进一步判断Count是否大于预设的门限次数N，若Count>N，则计数值Count清零，并将当前控制周期的控制模式切换为PI控制模式；若Count≤N，则当前控制周期控制模式保持不变，当前控制周期判断结束；上述，ε为转速精度规范值；(5)根据步骤(4)的结果，若切换后当前控制周期为前馈补偿模式，则执行步骤(6)、步骤(7)，利用步骤(7)中得到的当前控制周期的电流前馈补偿值Δiqref,j+1对步骤(3)中得到的q轴电流的初始给定值iqref0进行补偿，并利用补偿后的电流值通过框架电机对CMG框架进行控制，进入下一控制周期，令j的取值加1，转步骤(3)；若切换后当前控制周期为PI控制模式，则封锁步骤(6)、步骤(7)，直接利用步骤(3)中得到的q轴电流的初始给定值iqref0通过框架电机对CMG框架进行控制，进入下一控制周期，令j的取值加1，转步骤(3)；(6)根据当前控制周期框架转速的角加速度和框本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统，包括双环PI控制系统，所述的双环PI控制系统包括速度环PI控制器(1)、电流环PI控制器(2)、框架电机(3)和CMG框架(4)；其特征在于：还包括前馈补偿模块(5)和算法切换模块(6)；在预设的Ng个控制周期内，设置整个框架控制系统工作在PI控制模式，即按照双环PI控制系统进行控制；从Ng+1控制周期开始，通过算法切换模块(6)计算当前控制周期内CMG框架转速精度，根据算法切换逻辑结合框架转速精度，确定是否需要切换当前控制周期的控制模式，若切换后当前控制周期为前馈补偿模式，则在当前控制周期Tj+1，将速度环PI控制器输出的力矩参考值与反馈的框架电机(3)的机械转矩做差，得到当前控制周期的机械转矩误差ej+1将该机械转矩误差ej+1输入前馈补偿模块(5)，由前馈补偿模块(5)计算当前控制周期的电流前馈补偿值Δiqref,j+1，通过算法切换模块(6)将Δiqref,j+1加入所述的双环PI控制系统；；若切换后当前控制周期为PI控制模式，则封锁电流前馈补偿，按照双环PI控制系统进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统，包括双环PI控制系统，所述的双环PI控制系统包括速度环PI控制器(1)、电流环PI控制器(2)、框架电机(3)和CMG框架(4)；其特征在于：还包括前馈补偿模块(5)和算法切换模块(6)；在预设的Ng个控制周期内，设置整个框架控制系统工作在PI控制模式，即按照双环PI控制系统进行控制；从Ng+1控制周期开始，通过算法切换模块(6)计算当前控制周期内CMG框架转速精度，根据算法切换逻辑结合框架转速精度，确定是否需要切换当前控制周期的控制模式，若切换后当前控制周期为前馈补偿模式，则在当前控制周期Tj+1，将速度环PI控制器输出的力矩参考值与反馈的框架电机(3)的机械转矩做差，得到当前控制周期的机械转矩误差ej+1将该机械转矩误差ej+1输入前馈补偿模块(5)，由前馈补偿模块(5)计算当前控制周期的电流前馈补偿值Δiqref,j+1，通过算法切换模块(6)将Δiqref,j+1加入所述的双环PI控制系统；若切换后当前控制周期为PI控制模式，则封锁电流前馈补偿，按照双环PI控制系统进行控制。2.根据权利要求1所述的一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统，其特征在于当前控制周期的电流前馈补偿值Δiqref,j+1计算公式如下：其中，Nf为补偿周期所对应的控制周期数；所述的补偿周期为框架电机高速转子的转动周期；ej+1-Nf为上一补偿周期的机械转矩误差；Δiqref,j+1-Nf为上一补偿周期的电流前馈补偿值，电流前馈补偿初值为0；α为遗忘因子，α∈[0,1]；K1、K2为补偿系数，补偿系数取值满足：0<K2≤K1；kt为电机等效力矩系数3.根据权利要求1所述的一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统，其特征在于：所述的CMG框架转速精度的计算公式如下：其中，θg：角度增量名义值，即根据外部的转速指令计算出的框架指令转角值；实测平均值，为实测的第k次CMG框架的转角值。4.根据权利要求1所述的一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统，其特征在于：所述的算法切换逻辑如下：(4.1)判断当前控制模式，若当前控制周期工作在PI控制模式下，则进入步骤(4.2)；若工作在前馈补偿模式，则进入步骤(4.3)；(4.2)判断当前控制周期的CMG框架转速精度VG是否大于ε，若VG>ε，则计数值Count清零，当前控制周期控制模式保持不变，当前控制周期判断结束；否则计数值Count+1，并进一步判断Count是否大于预设的门限次数N，若Count>N，则计数值Count清零，并将当前控制周期的控制模式切换为前馈补偿模式；若Count≤N，则当前控制周期控制模式保持不变，当前控制周期判断结束；(4.3)判断当前控制周期的CMG框架转速精度VG是否小于等于ε，若VG≤ε，则计数值Count清零，当前控制周期控制模式保持不变，当前控制周期判断结束；否则计数值Count+1，并进一步判断Count是否大于预设的门限次数N，若Count>N，则计数值Count清零，并将当前控制周期的控制模式切换为PI控制模式；若Count≤N，则当前控制周期控制模式保持不变，当前控制周期判断结束；上述，ε为转速精度规范值，Count初值为0。5.一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制方法，其特征在于包括PI控制模式和前馈控制模式两种控制模式；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：来林，周大宁，武登云，魏大忠，史永丽，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11