题目：大型CMG磁悬浮转子系统高稳定度高精度控制方法及实验研究

大型磁悬浮控制力矩陀螺(CMG, Control Moment Gyroscpe)是空间站和大型航天器姿态控制执行机构的理想选择。磁悬浮转子系统的高稳定度和高精度控制是大型磁悬浮CMG研制的重点和难点。本文以我国未来空间站用大型CMG高速磁悬浮转子系统为研究对象，以凝炼个性工程技术问题中的共性科学问题并以此指导工程实践为指导思想，紧紧围绕具有强陀螺效应的磁悬浮转子系统的高稳定度和高精度控制两大难题进行研究，完成了以下创新性研究工作： 1、针对具有强陀螺效应的磁悬浮刚性转子系统稳定性分析的问题，通过引入变量重构的概念，将实系数双输入双输出系统转化为复系数单输入单输出系统，利用幅角原理扩展了Nyquist稳定判据，提出了基于正负频率特性的章动和进动稳定判据，给出了章动和进动的转速裕度、幅值裕度和相位裕度的解析表达式，解决了现有控制理论几乎无法对其进行解析分析的理论难题。在此基础上，将上述判据方法进一步推广到一类双输入双输出交叉耦合控制系统，建立了基于复系数频率特性的稳定性分析方法，为该类系统的稳定性分析和控制器设计提供理论依据。 2、针对大型CMG磁轴承绕组电感值较大及工程型号产品的“宇航级”芯片处理速度较慢而导致磁悬浮转子系统章动失稳这一突出问题，引入不对称电流检测电阻网络及其不对称因子的概念，提出了一种基于不对称电流检测电阻网络的磁轴承开关功放系统自适应相位补偿方法，并利用所提出的涡动模态稳定判据对不对称因子进行了优化设计，实现了对磁轴承功放系统数控延时的补偿和功放相位随绕组电感变化的自适应相位补偿。本方法解决了大型磁悬浮CMG样机研制的一个关键问题。 3、为有效抑制磁悬浮CMG的陀螺效应和动框架效应对磁悬浮转子系统稳定性和控制精度的影响，提出一种基于动态补偿的电流模式α阶逆系统和内模控制相结合的高精度解耦控制方法。通过对磁轴承开关功放系统进行动态补偿，解决了现有电流模式逆系统方法因存在未建模动态而影响系统稳定性和解耦精度的共性问题；利用提出的章动稳定判据给出了动态补偿滤波器的定量设计方法，通过设计和调节二自由度内模控制器中的Q滤波器进一步克服了反馈线性化方法对模型依赖较大的缺点。 4、针对高动态条件下大型CMG因磁轴承弹性支承而使得磁悬浮转子系统的高稳定度与快响应控制之间存在突出矛盾的问题，提出了基于模态分离和转动运动解耦的高精度强鲁棒控制策略，给出了基于涡动模态稳定判据的转动模态补偿滤波器的定量设计方法，实现了对磁悬浮转子刚度和阻尼的独立调节，解决了现有方法高精度解耦和强鲁棒控制之间的矛盾。在此基础上，结合模态解耦思想和磁悬浮转子系统的物理特性，进一步提出了基于动态反馈-前馈控制的高稳定度、快响应扭动控制方法，突破了制约磁悬浮CMG转子系统高稳定度、快响应控制的技术瓶颈。 本文所取得的研究成果已成功应用于我国大型磁悬浮CMG原理样机及中型和小型磁悬浮CMG工程样机，为磁悬浮CMG型号产品的研制和应用奠定了必要的理论和技术基础。