本发明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。
背景技术：
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，Daning Zhou提出了双环PI控制器的方法：
Daning Zhou,“The Design,Ground Test and Flight Validation of a High Accuracy Servo Scheme for Control Moment Gyroscope Application,”19thIFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace,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。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：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。
本发明的技术解决方案是：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架的转动惯量，得到作用在CMG框架上的机械转矩Tm；将步骤(3)中的力矩参考值Tref与Tm做差，得到当前控制周期的机械转矩误差ej+1；
(7)根据机械转矩误差ej+1计算当前控制周期的电流前馈补偿值Δiqref,j+1。
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；
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。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本方法针对航天器用控制力矩陀螺转子动不平衡力矩对框架控制精度的影响，首次将前馈补偿算法应用于控制力矩陀螺低速框架的控制中，并设计了算法切换逻辑，既大幅降低了由转子动不平衡引起的扰振力矩，又保证了框架动态性能。
通过实验验证，采用SRF的定义，即SRF＝Spp/Save(转速波动量峰-峰值与转速平均值之比)来说明这种抑制转子动不平衡扰动的控制方法的控制效果。对同一被控对象采用传统双环PI控制器SRF＝40％，而加入了前馈控制模块，SRF＝14％。对于CMG而言，大幅度降低框架的转速波动，可以大大提高输出力矩的精度，从而进一步提高整星的机动性能以及搭载的光学成像设备的成像效果。
与现有技术方案相比，该控制方法具有如下优点：
(1)传统的双环PI控制器，在抑制由转子动不平衡产生的，频率较高且幅值较大的扰动上，不能够达到理想的效果。本发明提出的一种控制力矩陀螺框架控制方法，将前馈补偿策略引入到双环PI控制系统中，并设计了相应的算法切换逻辑，在不改变原有控制系统架构的情况下，通过内嵌前馈补偿模块，达到抑制周期性波动的转子动不平衡力矩的目的。与现有PI双环控制方法相比，该方法将控制力矩陀螺框架转速波动量降低了60％以上，从而提高了其输出力矩精度。
(2)本方法中，转矩反馈量为作用在框架电机轴上的机械转矩，包括了电机输出的电磁转矩、阻力矩和由转子动不平衡产生的扰动力矩。通过闭环控制，使电机输出相应的补偿力矩以抵消阻力矩和扰动力矩的影响，实现框架转速高精度控制。这与传统方法为了消除电机输出电磁转矩波动的目的和效果是完全不同的，因此本方法也避免了采用力矩观测器来估计电磁转矩，降低了算法的复杂程度。
(3)本方法不需要进行微分方程求解，计算量小，可以满足控制力矩陀螺控制系统实时性的要求。具有较强的实用性。
该方法可以应用于各类型高精度控制力矩陀螺产品，以大幅度降低由转子动不平衡引起的框架扰动，提高输出力矩精度，使各类型遥感卫星实现高精度成像，极大的提升卫星的数据获取能力和成像分辨率。
附图说明
图1为本发明系统框图；
图2为前馈补偿模块补偿示意图。
具体实施方式
如在对控制力矩陀螺输(CMG)进行振动测试时，发现实际作用在低速框架上的转子动不平衡扰动力矩频率的基频为高速转子转速频率，还有其相应的倍频分量，包括3，5，7倍频。由于CMG转子转速为恒定值，因此转子动不平衡扰动力矩的频率为恒定值，即为一组周期性运动的扰动力矩。为了抑制这一系列扰动力矩，从而抑制CMG框架转速波动量，在传统的双环PI控制系统中，加入了前馈补偿模块和算法切换模块，如图1所示。
前馈补偿的主要思想是，针对在有限区间上周期性运动的动态系统，利用上一周期迭代的误差量来修正当前的控制给定，直至系统的输出能够完全跟踪期望轨迹。将前馈补偿模块引入到双环PI控制系统中，在不改变原有控制系统架构的情况下，通过内嵌前馈模块，可以达到抑制周期性波动的转子动不平衡力矩的目的。
由于这种前馈控制在被控框架转速稳定时，才能根据周期性运动规律产生补偿值修正控制给定，所以对于CMG在框架转速指令发生变化的暂态过程，为保证系统的响应带宽，控制系统将切换到双环PI控制模式，当框架转速达到稳定后，前馈补偿输出接入控制系统，以提高CMG力矩输出的稳定性。具体介绍如下：
本发明是建立在双环PI控制模式基础上的，如图1所示。框架电机3驱动框架4旋转，在框架电机输出轴上作用有驱动电机的电磁转矩Te，阻力矩Tf，和由转子动不平衡产生的扰动力矩Timbalance。
1)转角与电流采集与变换
通过旋转变压器测量框架电机3的转角θm。
通过电流采样电路测得框架电机的电流iA，iB，iC，并通过坐标变换计算得出两相静止坐标系下的α，β轴电流iα和iβ，
计算公式如下：
根据测得的框架电机机械角度θm确定电机电角度θe，然后根据iα、iβ和电机电角度θe，计算得到电机定子绕组电流中的励磁电流分量id和力矩电流分量iq，计算公式如下：
2)速度环PI控制器1
速度环PI控制器为PI调节器，输入为转速误差，转速给定值ωref与转速反馈值ωm之差，输出为力矩参考值Tref。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，如图1所示。
3)电流环PI控制器2
电流环PI控制器包括d轴电流PI控制器，和q轴电流PI控制器。
d轴电流控制器的给定值为0,给定值与d轴电流反馈id的差为该控制器的输入，输出为d轴电压给定信号udref。
q轴电流控制器的输入为q轴电流给定值iqref与q轴电流反馈值iq的差，输出为q轴电压给定信号uqref。
4)驱动电压变换
根据电流环PI控制器的输出udref、uqref和电机电角度θe，计算得到两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值uα和uβ，计算公式如下：
利用两相静止坐标系到三相ABC坐标系下的变换法则，由两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值uα和uβ得出电机定子三相相电压的指令值uA、uB、uC，
则计算公式如下：
将计算得到的uA、uB、uC通过功率驱动电路驱动永磁同步电机3旋转。
在PI控制模式下，速度环PI控制器得到的q轴电流的初始给定值iqref0直接作为上述q轴电流给定值iqref；在前馈控制模式下，初始给定值iqref0需要加上一个补偿值作为q轴电流给定值iqref。具体如下：
5)机械转矩Tm反馈
作用在框架驱动轴上的转矩Tm由框架转速的角加速度和框架的转动惯量来获得：
其中J为框架的转动惯量。当前控制周期框架转速的角加速度计算公式为：
T为控制周期。
框架转角ωm由相邻两控制周期测得的机械角度θm之差，除以控制周期T得到：
6)前馈补偿模块5
由转速控制器输出的力矩参考值Tref和反馈的框架机械转矩Tm做差，得到机械转矩误差e，该误差值送入前馈补偿模块5，如图1所示。当前控制周期的机械转矩反馈值记为Tm，j+1，得到的机械转矩误差值记为ej+1。前馈补偿模块的输出为补偿值，该值由三部分构成,如图2所示：
1.误差值ej+1与补偿系数K2相乘，作为电流前馈补偿值Δiqref,j+1的第1部分；
2.误差值ej+1与补偿系数K1相乘,送入存储器，同时，从存储其中读取出上一补偿周期计算出的该数值，即K1ej+1-Nf。
其中，Nf为补偿周期所对应的控制周期数；在本方法中补偿周期为高速转子的转动周期，如高速转子为6000转/分，补偿周期为0.01s。K1ej+1-Nf作为电流前馈补偿值Δiqref,j+1的第2部分。
3.上一补偿周期的电流补偿值Δiqref,j+1-Nf乘以系数(1-α)，得到的数值为电流前馈补偿值Δiqref,j+1的第3部分。其中α为遗忘因子，α∈[0,1]。
前馈补偿可用下述公式表达：
Nf为补偿周期所对应的控制周期数，所述的补偿周期为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；
补偿系数取值满足：
0<K2≤K1。
6)算法切换模块6
为保证前馈补偿有效提高CMG框架稳态工作时的控制精度，通过计算CMG框架转速精度，在一段连续的时间长度内，若满足转速精度判据的事件连续发生了N次，则判定CMG转速进入稳态，此时将前馈补偿模块的输出——补偿的电流给定值Δiqref,j+1，加入到控制系统中，用以消除转子的动不平衡扰动力矩，此时为前馈补偿模式。反之，则判定CMG框架转速进入暂态，前馈补偿将被封锁，系统转为PI控制模式。
以Ng为周期，连续计算低速框架转速精度。转速精度的计算方法为：
转速精度为：
其中，
θg：角度增量名义值，即根据转速指令计算出的指令转角值；
实测平均值。
在第i个控制周期，算法切换逻辑为：
判断当前控制状态
如果为PI控制模式，进行如下判断
如果VG>ε
计数器Count清零，第i个控制周期判断结束，ε为转速精度规范值
如果VG≤ε，计数器计数值Count+1
判断计数器计数值Count是否大于N
如果Count≤N
第i个控制周期判断结束
如果Count>N
Count清零，切换为前馈补偿模式。
如果为前馈补偿模式，进行如下判断
如果VG≤ε
计数器Count清零，第i个控制周期判断结束，ε为转速精度规范值
如果VG>ε，计数器计数值Count+1
判断计数器计数值Count是否大于N
如果Count≤N
第i个控制周期判断结束
如果Count>N
Count清零，切换为PI控制模式。
系统在刚开始工作时，CMG转速一般是不稳定的，因此在此段时间，即在预设的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；之后根据上述介绍，判断CMG转速是否达到稳态，判断是否进入前馈补偿模式。对于Ng的取值，如果取值过小，转速采集误差会导致系统频繁切换，所以Ng取值的下限应根据反馈转速数据中噪声情况确定，保证对采集信号进行有效滤波。Ng取值过大会使切换判断时间过长，取值的上限一般应根据对控制力矩陀螺转速响应的具体要求确定。
综上，本发明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在现有双环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)基础上，嵌入前馈补偿模块(5)和算法切换模块(6)进行控制。
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，在当前控制周期Tj+1，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，由算法切换模块6将电流前馈补偿值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。
本发明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)，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架的转动惯量，得到作用在CMG框架上的机械转矩Tm；当前控制周期框架转速角加速度由当前周期的转速与上一周期的转速计算得到；将步骤(3)中的力矩参考值Tref与Tm做差，得到当前控制周期的机械转矩误差ej+1；
(7)根据机械转矩误差ej+1计算当前控制周期的电流前馈补偿值Δiqref,j+1；
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。