圖書信息
書名磁懸浮控制力矩陀螺技術
書號978-7-118-09919-5
作者房建成、任元
出版時間2014年12月
譯者
版次1版1次
開本16
裝幀精裝
出版基金國防科技圖書出版基金
頁數452
字數447
中圖分類V448.2
叢書名
定價152.00
內容簡介
磁懸浮控制力矩陀螺(MSCMG)技術是未來太空飛行器姿態控制系統實現跨越式發展的一個前沿
核心技術。MSCMG具有高精度、長壽命，以及能夠實現極微振動和低噪聲控制等顯著的
技術
優勢，是高解析度對地觀測衛星、雷射通信衛星和空間望遠鏡等超穩、超靜太空飛行器平台以及
空間站等大型長壽命太空飛行器實現高精度、高穩定度姿態控制的關鍵執行機構。
本專著是在作者及其研究團隊15年來取得的研究成果和國內外姿態控制執行機構領域最新研
究成果的基礎上撰寫而成，突出基礎性、創新性和前瞻性的研究成果及工程套用中的關鍵技
術研究內容。
全書共11章，分為六部分。第一部分包括第1章和第2章，主要介紹MSCMG的工作原理和
總體
結構。第二部分包括第3～第5章，主要介紹高速磁懸浮轉子系統的穩定性分析和高穩定度
高精度控制方法及主動振動控制方法。第三部分包括第6章和第7章，分別研究了單框架MS
CMG的高穩定度控制方法和高精度高頻寬控制方法。第四部分包括第8章和第9章，分別介
紹雙
框架MSCMG的解耦控制與結構彈性模態振動抑制方法。
圖書目錄
第1章緒論1
1.1太空飛行器姿態控制執行機構概述1
1.2控制力矩陀螺的發展及套用2
1.2.1國外CMG研究及套用現狀2
1.2.2國內CMG研究現狀9
1.3本書的編寫特點和內容安排11
1.3.1編寫特點11
1.3.2內容安排12
1.4本章小結14
參考文獻14
第2章MSCMG的總體結構設計與動力學建模18
2.1引言18
2.2MSCMG的基本結構與工作原理19
2.2.1單框架MSCMG的基本機構與工作原理19
2.2.2雙框架MSCMG的基本結構與工作原理21
2.2.3永磁偏置混合磁軸承的基本結構與工作原理22
2.3MSCMG的機械結構與電磁設計24
2.3.1MSCMG總體方案設計24
2.3.2磁懸浮高速轉子系統的機械結構設計27
2.3.3框架伺服系統的機械結構與電磁設計34
2.4單框架MSCMG整機動力學建模40
2.4.1參考坐標系41
2.4.2磁懸浮轉子動力學建模43
2.4.3框架動力學建模48
2.5雙框架MSCMG的動力學建模52
2.5.1參考坐標系52
2.5.2轉子運動方程54
2.5.3內框架運動方程59
2.5.4外框架運動方程61
2.6本章小結62
參考文獻62
第3章強陀螺效應磁懸浮轉子系統的渦動模態穩定性分析與判據67
3.1引言67
3.2強陀螺效應磁懸浮剛性轉子章動和進動穩定判據69
3.2.1磁懸浮剛性轉子交叉反饋控制系統的建模及變數重構69
3.2.2復係數SISO系統閉環特徵根的分布與渦動模態的關聯性71
3.2.3磁懸浮剛性轉子章動和進動穩定判據73
3.2.4磁懸浮剛性轉子的章動和進動相對穩定性分析方法79
3.2.5仿真和實驗研究83
3.3磁懸浮高速轉子彈性振動模態的復系頻率特性穩定性分析方法93
3.3.1磁懸浮彈性轉子建模93
3.3.2基於特徵軌跡方法的系統穩定性分析96
3.3.3變數重構及復係數SISO系統穩定性分析98
3.3.4基於復係數頻率特性的渦動模態穩定性分析101
3.3.5仿真和實驗研究103
3.4基於渦動模態穩定判據的高速磁懸浮轉子系統高穩定度控制方法107
3.4.1基於分散PID控制的轉速自適應濾波交叉反饋控制方法107
3.4.2交叉反饋校正參數的保相角裕度設計方法109
3.4.3磁懸浮高速轉子彈性振動模態陷波器校正設計方法116
3.5本章小結120
參考文獻121
第4章磁懸浮高速轉子的現場動平衡和不平衡量的主動振動抑制方法125
4.1引言125
4.2含轉子不平衡的磁懸浮轉子系統動力學建模與分析127
4.2.1含轉子不平衡的磁懸浮高速轉子振動機理分析128
4.2.2含轉子不平衡的磁懸浮轉子系統動力學建模129
4.2.3含轉子不平衡的磁懸浮轉子系統動力學模型驗證與分析134
4.3磁懸浮轉子系統的高效、高精度現場動平衡方法140
4.3.1磁懸浮轉子系統模型140
4.3.2磁懸浮轉子動平衡分析143
4.3.3零位移控制器設計146
4.3.4平衡誤差校正147
4.4基於功率放大器自適應補償的磁懸浮轉子系統不平衡振動抑制148
4.4.1磁軸承系統實現不平衡振動完全抑制的條件分析149
4.4.2磁軸承系統不平衡振動抑制與幅值相位調節器設計152
4.4.3仿真和實驗研究158
4.5給定不平衡振動位移閾值的最小不平衡振動力和力矩控制165
4.5.1磁懸浮高速轉子幾何軸和慣性軸的位移關係分析165
4.5.2基於改進GPM的最小不平衡振動力和力矩控制168
4.5.3仿真和實驗研究173
4.6本章小結179
參考文獻180
第5章磁懸浮高速轉子系統位移感測器的多諧波電流與振動抑制186
5.1引言186
5.2含轉子不平衡和Sensor Runout的磁懸浮轉子系統建模與分析188
5.3基於重複控制的磁懸浮轉子系統多諧波電流抑制192
5.3.1重複控制器的基本原理與性能分析193
5.3.2磁懸浮轉子系統多諧波電流抑制的重複控制器設計197
5.3.3仿真和實驗研究202
5.4基於重複控制和前饋控制的磁懸浮轉子系統多諧波振動抑制206
5.4.1轉子不平衡和Sensor Runout同頻分量的辨識與補償206
5.4.2磁懸浮轉子系統多諧波振動抑制的控制器設計209
5.4.3仿真和實驗研究211
5.5本章小結215
參考文獻215
第6章單框架MSCMG的高穩定度控制方法220
6.1引言220
6.2磁懸浮轉子系統與框架伺服系統的動力學耦合關係221
6.3動力學耦合對磁懸浮轉子系統的影響224
6.3.1動力學耦合對磁懸浮轉子系統穩定性的影響224
6.3.2框架運動時磁軸承的受力分析227
6.4一種基於框架角速率－軸承電流前饋的動框架位移抑制方法230
6.4.1磁懸浮轉子系統的角速率－電流前饋控制231
6.4.2角速率－電流前饋對磁懸浮轉子系統的影響232
6.4.3動框架位移抑制效果仿真分析233
6.4.4前饋控制實驗研究235
6.5動框架條件下MSCMG的反饋線性化解耦控制方法237
6.5.1MSCMG的系統建模及耦合性分析238
6.5.2MSCMG的α階逆解耦240
6.5.3內模控制器的設計245
6.5.4渦動模態穩定判據在MSCMG轉子系統解耦控制中的套用248
6.5.5仿真和實驗研究251
6.6基於不對稱電流檢測電阻網路的MSCMG開關功放數控系統延時補償方法253
6.6.1MSCMG磁軸承開關功放數控系統延時建模254
6.6.2基於狀態空間平均法的磁軸承單極性H全橋開關功放系統建模256
6.6.3不對稱電流檢測電阻網路的延時補償特性分析261
6.6.4不對稱電流檢測電阻網路的自適應相位補償特性分析263
6.6.5基於渦動模態穩定判據的不對稱電流檢測電阻網路最佳化設計方法267
6.6.6仿真和實驗研究270
6.7本章小結279
參考文獻280
第7章單框架MSCMG的高頻寬、高精度控制方法285
7.1引言285
7.2基於模態分離和轉動解耦的磁懸浮轉子系統高穩定度、高精度控制286
7.2.1系統耦合性分析286
7.2.2基於簡化的模態控制器的模態分離控制策略288
7.2.3基於改進的反饋線性化方法的轉動解耦控制研究290
7.2.4魯棒調節器設計293
7.2.5動態補償濾波器在模態解耦控制中的設計方法295
7.2.6仿真和實驗研究296
7.3基於動態反饋-前饋的磁懸浮轉子系統的高穩定度快回響偏轉控制304
7.3.1磁懸浮轉子偏轉運動特性分析305
7.3.2基於動態反饋-前饋的磁懸浮轉子高穩定度偏轉控制方法307
7.3.3仿真和實驗研究311
7.4MSCMG框架伺服高頻寬控制系統317
7.4.1問題描述318
7.4.2控制系統結構及組成320
7.4.3非線性微分跟蹤器及其穩定性分析320
7.4.4非線性速率環控制器322
7.4.5仿真和實驗研究323
7.5本章小結329
參考文獻329
第8章雙框架MSCMG的解耦控制方法334
8.1引言334
8.2磁懸浮高速轉子與內、外框架動力學耦合分析335
8.2.1基於動靜法的雙框架MSCMG力矩輸出模型335
8.2.2多體動力學耦合特性分析337
8.3基於前饋解耦的磁軸承力矩補償控制策略339
8.3.1磁軸承力矩補償控制系統組成339
8.3.2磁軸承力矩補償量計算340
8.3.3內、外框架耦合力矩對章動穩定性影響分析340
8.3.4控制系統穩定性分析342
8.4一種角加速度信號魯棒濾波估計方法342
8.4.1魯棒H∞濾波估計方法342
8.4.2濾波估計實驗344
8.5磁軸承補償控制實驗研究345
8.5.1實驗裝置345
8.5.2內框架機動時補償控制347
8.5.3外框架(σi≈90°)機動時補償控制348
8.5.4外框架(σi≈0°)機動時補償控制349
8.6基於電流前饋的內、外框架解耦控制方法350
8.6.1前饋控制算法設計350
8.6.2仿真和實驗研究351
8.7本章小結357
參考文獻357
第9章雙框架MSCMG結構模態振動魯棒控制方法
361
9.1引言361
9.2框架與陀螺房組合體結構模態分析362
9.2.1材料屬性及有限元建模362
9.2.2有限元仿真分析結果363
9.3磁軸承控制系統的建模及耦合分析364
9.3.1磁軸承控制系統建模364
9.3.2控制通道耦合分析367
9.4系統不確定性分析及頻域特性測試辨識369
9.4.1功放增益攝動確定369
9.4.2框架模態實驗辨識371
9.5魯棒μ控制器設計與穩定性分析372
9.5.1控制器設計方法372
9.5.2系統魯棒穩定性和魯棒性能分析374
9.5.3仿真研究375
9.6結構模態振動抑制實驗研究377
9.6.1實驗裝置377
9.6.2參數攝動實驗研究378
9.6.3框架結構模態振動抑制實驗研究379
9.7本章小結382
參考文獻382
第10章MSCMG框架伺服系統高精度控制方法
386
10.1引言386
10.2非線性摩擦特性及對框架伺服系統精度的影響387
10.2.1框架伺服系統非線性摩擦補償方法綜述 388
10.2.2框架伺服系統的非線性摩擦建模與分析391
10.2.3基於CMAC的非線性摩擦補償算法394
10.2.4仿真和實驗研究396
10.3基於自適應逆的高頻小增益擾動力矩抑制方法401
10.3.1高頻小增益擾動力矩的建模與分析402
10.3.2基於自適應逆控制算法的擾動力矩消除405
10.4基於擴張狀態觀測器的諧振抑制方法417
10.4.1基於諧波減速器的框架伺服系統建模與問題描述420
10.4.2擴張狀態觀測器423
10.4.3擴張狀態觀測器參數設計425
10.4.4基於擴張狀態觀測器的控制器設計426
10.4.5仿真和實驗研究428
10.5本章小結434
參考文獻435
第11章總結與展望441
11.1概述441
11.2在理論方法方面的成果442
11.3在技術實現方面的成果443
11.4需進一步研究的問題444
參考文獻445
