一种提升控制力矩陀螺带宽的自适应框架控制系统及方法与流程

本发明涉及一种提升控制力矩陀螺响应带宽的框架控制系统及方法，适用于控制力矩陀螺产品的框架控制。

背景技术：

控制力矩陀螺是航天器姿态快速机动和稳定的核心执行部件，是由高速组件与低速框架两部分组成，相较于传统的航天器姿态执行机构而言，其具有的优势为输出力矩大，能效比高，响应速度快，输出力矩精度高。

由于控制力矩陀螺的低速框架轴系采用的是固体润滑的四点轴承，随着控制力矩陀螺的长期在轨运行，其低速框架轴系的摩擦阻力矩会逐渐增大。这是由于钢球循环滚动所造成的固体润滑膜的疲劳磨损以及伴随钢球滑动所造成的磨粒磨损所导致的固体润滑膜不断损耗，轴承的摩擦阻力矩也会持续增加。当循环次数超过一定极限时，润滑膜将出现明显疲劳磨损，轴承摩擦力矩将迅速增大。经仿真和实验验证，随着摩擦阻力矩的增加，控制力矩陀螺的响应带宽会随之下降，响应延时变大，当其响应时延超过整星控制系统的裕度时，会引起姿态控制回路的不稳定，卫星姿态开始逐渐震荡发散。

单框架控制力矩陀螺低速框架电机一般使用永磁同步电机并利用双环pi控制，文章“thedesign,groundtestandflightvalidationofahighaccuracyservoschemeforcontrolmomentgyroscopeapplication,”19^thifacsymposiumonautomaticcontrolinaerospace,2013.09，pp.466～471中，提出了利用双环pi控制器的方法来实现控制力矩陀螺框架电机的控制，且该方法已经成功地实现了在轨应用。对于已使用的角速度与电流双环pi控制器来说，若只选择提升响应带宽，就会牺牲控制稳定度，反之只追求控制稳定度，就会相应的牺牲一定的响应带宽。目前国内针对控制力矩陀螺的控制器参数设计通常需要在响应带宽与控制稳定度两个指标中做出折衷选择。因而对于已经长期在轨运行后的控制力矩陀螺产品而言，其摩擦阻力矩增大以后就会直接降低控制力矩陀螺的响应带宽，从而引发控制回路不稳定。专利cn105786036b提出利用加入前馈控制的方案来实现力矩控制精度提升的效果，但是并未给出在保证控制精度的条件下实现响应带宽提升的方案。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术和系统方案的不足，提供一种提升控制力矩陀螺响应带宽的框架控制系统及方法，解决当前控制力矩陀螺控制方法中存在的在高动态响应与高控制稳定度之间的矛盾，尤其还可以解决在长时间在轨运行后，由于框架摩擦阻力矩变大所造成的动态响应降低的问题。

本发明的技术方案：一种提升控制力矩陀螺带宽的自适应框架控制系统，包括自适应双环pi控制器、转速观测器与轴承老化程度判断模块；

自适应双环pi控制器用于控制力矩陀螺的低速框架电机控制，该自适应双环pi控制器建立在传统电流环与转速环双环pi控制器基础之上，其中电流环与转速环pi控制器中的增益参数均具备自适应调整功能；

转速观测器用于观测控制力矩陀螺低速框架电机的转速的相对实际转速相较于相对指令转速的差距，并将此差距转换为自适应控制的判据；

轴承老化程度判断模块用于判断轴承在长时间运行后，摩擦阻力矩与轴承初始状况下摩擦阻力矩的变化情况，自适应双环pi控制器的增益参数将根据上述摩擦阻力矩变化情况进行增益参数自适应调整。

转速观测器的具体工作过程为：

转速观测器用于观测框架的相对实际转速vxr与相对指令转速vxc之差，并根据vxr与vxc的差值作为判据实现分阶段自适应控制器参数的选取。

所述相对实际转速vxr指：当前实际转速vr与当前指令转速发出之时的实际转速vr0之差，即vxr＝vr-vr0；所述相对指令转速vxc指：当前指令转速vc与当前指令转速发出之时的实际转速vr0之差，即vxc＝vc-vr0；

转速观测器将vxc与vxr之差分为三个阶段，其中第一个阶段为上升阶段，第二个阶段为过渡阶段，第三个阶段为平稳阶段；其中上升阶段与过渡阶段之间的转折转速vz由转折系数λ与相对指令转速vxc相乘得到。

当转速满足下述条件时，为第一个阶段：

当转速满足下述条件时，为第二个阶段：

当转速满足下述条件时，为第三个阶段：

所述转折系数λ选择范围为0.5-0.9。

所述轴承老化程度判断模块的具体工作过程为：

同个产品选定产品框架角度上四个固定的常用的位置，分别在每个固定角度实施0°/s-1°/s的阶跃指令，并记录相应的阶跃上升时间为t0，t1，t2，t3，并通过上述四个阶跃上升时间得到平均上升时间ta；每个产品在初始状态下测得的平均上升时间定义为典型时间阈值tw，在产品运行阶段，摩擦阻力矩与轴承初始状况下摩擦阻力矩的变化情况，即轴承的老化程度α跟据选定时刻的平均上升时间与典型时间阈值相比得到，即α＝ta/tw。

所述四个固定的常用的位置采用0°、90°、180°和270°。

一种提升控制力矩陀螺带宽的自适应框架控制方法，步骤如下：

(1)当转速观测器处于第一阶段即上升阶段时，计算得到自适应双环pi控制器中的增益系数；用转速观测器进行转速判断，当转速满足下述条件时，

则自适应双环pi控制器中的增益系数分别为：

k1＝α·β·k10，k3＝α·β·k30，

其中，自适应双环pi控制器中的增益系数ki分别定义为：k1为转速环比例增益，k2为转速环积分增益，k3为电流环比例增益，k4为电流环积分增益；

将初始状态下，通过调试得到既满足控制力矩陀螺转速稳定度又能抗住外界耦合力矩的优化控制器增益系数称为初始设计恒增益系数ki0：k10为初始转速环比例增益，k20为初始转速环积分增益，k30为初始电流环比例增益，k40为初始电流环积分增益；β为带宽倍增系数，且该倍增系数β大于1；α为轴承老化系数。

(2)当转速观测器处于第二阶段即过渡阶段时，计算得到自适应双环pi控制器中的增益系数；利用转速观测器进行转速判断，当转速满足下述条件时，

令当前周期的控制器增益系数取值为ki_new，上一周期的控制器增益系数取值为ki_old，则ki_new＝(ki_old+ki0)/2；

则自适应双环pi控制器中的增益系数分别为：

k1_new＝(k1_old+k10)/2，k2_new＝(k2_old+k20)/2，

k3_new＝(k3_old+k30)/2，k4_new＝(k4_old+k40)/2

其中，k1_new为本周期转速环比例增益，k2_new为本周期转速环积分增益，k3_new为本周期电流环比例增益，k4_new为本周期电流环积分增益；k1_old为上一周期转速环比例增益，k2_old为上一周期转速环积分增益，k3_old为上一周期电流环比例增益，k4_old为上一周期电流环积分增益；

(3)当转速观测器处于第三阶段即平稳阶段时，计算得到自适应双环pi控制器中的增益系数；利用转速观测器进行转速判断，当转速满足下述条件时，

则自适应双环pi控制器中的增益系数分别为ki＝ki0：

k1＝k10，k2＝k20，k3＝k30，k4＝k40

(4)将上述三步中求得的自适应双环pi控制器中的增益系数k1，k2，k3，k4，根据转速观测器所检测到所处控制阶段的不同进行相应控制器增益系数的赋值，完成控制力矩陀螺框架的响应带宽的自适应控制。

在转速指令变化之前，只接受从第一阶段到第二阶段到第三阶段顺序变化，而不接受逆变化；一旦转速指令发生变化则恢复至第一阶段。

本发明的有益效果：本发明采用了一种具有转速观测器的自适应控制系统，将整个控制过程分为三个阶段：上升阶段，过渡阶段和平稳阶段。通过使得双pi控制器均具备自适应控制能力，实现框架控制力矩陀螺同时得到高响应带宽与高控制稳定度，而不像之前方法中需要在两个指标中折衷选取控制器增益系数。另外本发明采用了一种具有轴承老化程度判断模块的自适应控制系统，得以实现随着轴承老化，系统可自适应调整控制器的响应带宽，使得控制力矩陀螺的框架响应带宽可以不随之降低。另外由于本发明中的过渡阶段采用了半步长插值迭代法实现双pi控制器增益系数的自适应调节，减少转速控制过程中的超调量，从而实现框架转速从上升到稳定过程的平稳过渡。

利用上述方法，使得控制力矩陀螺的框架控制具备自适应调节能力，无需在高响应带宽与高控制稳定度之间做出折衷选择，该控制器使得产品在保证高控制稳定度的同时，还增加了产品的响应带宽。使得产品可同时具备高响应带宽与高控制稳定度。同时，其所具备的自适应调节能力可解决由于产品长期在轨应用造成的轴承摩擦阻力矩增大所导致的响应带宽下降的问题。

附图说明

图1为本方法的在控制程序中实现的流程图。

图2为控制力矩陀螺使用原控制方法，即恒定增益的双环pi控制器所得到的转速响应曲线。

图3为控制力矩陀螺使用本专利中所述自适应控制方法所得到的转速响应曲线。

图4为控制力矩陀螺利用原控制方法所得到的图2中虚线框的放大图，为当前指令发出后15ms内的响应数据。

图5为控制力矩陀螺利用本专利中所述方法得到的图3中虚线框的放大图，为当前指令发出后15ms内的相应数据。

具体实施方式

本专利提出了一种提升控制力矩陀螺带宽的自适应框架控制系统及方法，与传统控制系统及方法不同的地方在于在系统中加入了转速观测器模块、轴承老化程度判断模块，同时双环pi控制器均为变增益控制器，通过转速观测器观测结果与轴承老化程度判断结果实现自适应pi控制。自适应控制体现在三个方面：(1)依据转速观测器监测结果实现三个阶段的自适应控制；(2)在上升阶段中依据轴承老化程度与增益倍增系数实现自适应调节；(3)在过渡阶段采用半步长插值迭代法进行增益系数自适应调节以减少转速控制过程中的超调量，从而实现从上升阶段到稳定阶段的平稳过渡。

转速观测器是通过比较相对实际转速与相对指令转速之间的关系得到其所在的不同控制阶段所决定的，所谓“相对”的概念是指相对于在指令发出之时，产品的实际转速值vr0；此处提到的是相对实际转速vxr即实际转速vr与当前指令发出之时的实际转速vr0之差即vxr＝vr-vr0；相对指令转速vxc即指令转速vc与当前指令发出之时实际转速vr0之差即vxc＝vc-vr0。此处之所以利用相对转速的概念，是因为本方法是依据实际转速与指令转速之间的差值来进行自适应控制，得到转速指令发出时相对实际转速与相对的指令转速之间的关系，共分为三个控制阶段，当相对实际转速未达到转折转速之前，控制处于第一阶段，即上升阶段(a＝1)；当相对实际转速处于转折转速与相对指令转速之间，控制器设置处于第二阶段，即过渡阶段(a＝2)；当相对实际转速超过相对指令转速之后，控制器设置处于第三个阶段，即稳定阶段(a＝3)。

在第一个阶段即上升阶段中，转速观测器需要满足的条件是，相对实际转速在未达到转折转速之前，转折转速为转折系数λ与相对指令转速相乘，其中依据惯量大小不同，λ取值范围为50％～90％。控制器增益系数的设置需要满足的条件是，最大程度保证框架控制系统稳定情况下能得到的更高带宽响应的增益系数。自适应控制器将引入两个参数分别为带宽倍增系数β和轴承老化系数α。其中，带宽倍增系数β(β>1)的设置意义在于其设置使得带宽能达到稳定阶段带宽的β倍，但是随着β的增大，产品的响应带宽不会无限制随之增大，会在βh处所对应的带宽下趋于平稳，从而达到产品的能力上限。因而在本方法中，β的取值可根据需求，选取(1～βh)。同时，由于轴承摩擦阻力矩在产品运行中会逐渐增加，因而需要定期标定轴承的老化系数，并将此老化系数纳入至上升阶段中的增益系数自适应调整中，目的是在产品长期运转后，利用增益参数的变化可以弥补轴承老化，实现产品在转速上升阶段，响应带宽不下降的目的。因而此处还引入了轴承老化系数α，该系数是通过判断框架在0°/s到1°/s阶跃指令下，框架转速的阶跃上升时间随着老化程度推移的降低程度。具体计算方式如下：同个产品选定产品框架角度上四个固定的常用的位置，例如(0°，90°，180°，270°)。分别在每个固定角度实施从0°/s到1°/s的阶跃指令，并记录相应的上升时间记录为t0，t1，t2，t3，并通过求上述四个阶跃上升时间得到平均上升时间ta。每个产品在初始状态下测得的平均上升时间定义为典型时间阈值tw，在产品运行阶段，轴承的老化程度α就跟据选定时刻的平均上升时间与典型时间阈值相比从而得到，即α＝ta/tw。

当转速观测器处于第一阶段即上升阶段时，利用转速观测器进行转速判断，当转速满足下述条件时，

则双环pi控制器中的增益系数分别为：

k1＝α·β·k10，k3＝α·β·k30，

其中，双环pi控制器中的增益系数ki分别定义为：k1为转速环比例增益，k2为转速环积分增益，k3为电流环比例增益，k4为电流环积分增益；将初始状态下，通过调试得到既满足控制力矩陀螺转速稳定度又能抗住外界耦合力矩的优化控制器增益系数称为初始设计恒增益系数ki0：k10为初始转速环比例增益，k20为初始转速环积分增益，k30为初始电流环比例增益，k40为初始电流环积分增益。

第二个阶段为过渡阶段，由于已经接近目标转速，为保证减少转速的超调，此时控制器增益系数的设定思路就是需要将上升阶段与稳定阶段实现转速的平滑过渡，因而在上升阶段应采用采用半步长插值迭代法实现控制器中的比例增益与积分增益平滑过渡。

当转速观测器处于第二阶段即过渡阶段时，利用转速观测器进行转速判断，当转速满足下述条件时，

将采用半步长插值迭代法实现控制器中的转速调节器的比例积分系数的平滑过渡。令本周期的控制器增益系数取值为ki_new，上一周期的控制器增益系数取值为ki_old，则ki_new＝(ki_old+ki0)/2。

则双环pi控制器中的增益系数分别为：

k1_new＝(k1_old+k10)/2，k2_new＝(k2_old+k20)/2，

k3_new＝(k3_old+k30)/2，k4_new＝(k4_old+k40)/2

其中，k1_new为本周期转速环比例增益，k2_new为本周期转速环积分增益，k3_new为本周期电流环比例增益，k4_new为本周期电流环积分增益；k1_old为上一周期转速环比例增益，k2_old为上一周期转速环积分增益，k3_old为上一周期电流环比例增益，k4_old为上一周期电流环积分增益。

第三个阶段为稳定阶段，由于已经达到目标转速，因而此时控制器增益系数的设定思路就是需要实现转速高稳定与高精度控制，同时该阶段的控制器增益系数还需要满足卫星技术指标所计算出的耦合力矩。因而该阶段的控制器增益系数的设定原则是在满足卫星耦合力矩需求下的实现最高的控制稳定度与精度。当转速观测器处于第三阶段即平稳阶段时，利用转速观测器进行转速判断，当转速满足下述条件时，

则双环pi控制器中的增益系数分别为ki＝ki0：

k1＝k10，k2＝k20，k3＝k30，k4＝k40

通过上述三个阶段中分别求得的控制器中的增益系数k1，k2，k3，k4，将根据转速观测器所测到所处控制阶段的不同进行相应控制器增益系数的赋值。由于在调速过程中转速会出现波动，为防止在调速过程中所处控制阶段出现反复跳变，因而在一条转速指令变化之前，控制流程只允许从第一阶段到第二阶段到第叁阶段顺序变化，而不接受逆变化。一旦转速指令发生变化，立即恢复至第一阶段。具体流程如图1所示，其含义如下段所述：

(1)每个控制周期中判断是否有更新的相对转速指令；如果存在更新的相对转速指令，则置位阶段标志位a＝1；同时计算相对实际转速与相对指令转速；如果不存在更新的相对转速指令，则先对阶段标志位进行查询。(2)首先判断是否处于第一阶段，即阶段标志位是否满足a＝1；如果标志位a＝1时，则利用转速观测器判断当前相对转速是否已经达到第二阶段；当相对转速没有到达第二阶段时，则仍按照第一阶段的控制器增益系数进行赋值；一旦相对转速达到了第二阶段时，则置位阶段标志位a＝2，同时该周期按照第二阶段的控制器增益系数进行赋值。(3)当阶段标志位不满足a＝1时，再来判断是否处于第二阶段，即阶段标志位是否满足a＝2，如果标志位a＝2时，则利用转速观测器判断当前相对转速是否已经达到第三阶段；当相对转速没有达到第三阶段时，则仍按照第二阶段的控制器增益系数进行赋值；一旦相对转速已经达到了第三阶段时，则置位阶段标志位a＝3，同时该周期按照第三阶段的控制器增益系数进行赋值。(4)当阶段标志位也不满足a＝2时，说明此时已经处于第三阶段，则需按照第三阶段的控制器增益系数进行赋值。

通过对比原控制方法与本专利所提出的自适应控制方案从而证明本专利提出方法的有效性。

图2和图4给出了控制力矩陀螺使用原控制方法，即恒定增益的双环pi控制器所得到的转速响应曲线与响应带宽。该方法中k1＝10，k2＝1.2，k3＝3.0，k4＝0.1。

图3和图5给出了控制力矩陀螺使用本专利所提出的自适应控制方法，所得到的转速响应曲线与响应带宽。将上述提到的参数进行赋值。通过实验确定既满足控制力矩陀螺转速稳定度又能抗住外界耦合力矩的控制器恒增益系数：k10＝10，k20＝1.2，k30＝3.0，k40＝0.1。希望通过上述方法将现有带宽提升两倍，因而控制器第一阶段的控制器增益系数设定为k1h＝20，k2h＝0.6，k3h＝6，k4h＝0.05(即α＝1，β＝2)，同时λ＝0.9。

通过上述实验证明在保证同样稳态转速稳定度的同时，转速的响应时间由10.25ms缩短至5.4ms，响应带宽提升近2倍，与设计预期符合。同时还可以一定程度地降低转速超调。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。