题目：磁悬浮控制力矩陀螺转子大范围非线性控制方法研究

磁悬浮控制力矩陀螺可以持续输出较大的力矩并且拥有较高的姿态控制精度。随着航天器对姿态控制要求的不断提升，高精度、大力矩、长寿命的姿态控制执行机构是惯性执行机构未来需求的重点。但是磁悬浮控制力矩陀螺转子与保护轴承之间存在间隙，太空中存在许多未知的干扰，这些未知的干扰会使陀螺转子偏离原来的平衡位置。从而导致系统的非线性加强，控制精度降低等问题，严重时甚至会威胁系统的稳定运行。本文针对磁悬浮控制力矩陀螺转子由于初始位置改变、外界干扰等因素大范围偏离平衡点后的情况，进行了解耦、非线性控制等一系列方法的研究，仿真与实验均证明了其有效性。主要内容为：

（1）针对磁悬浮控制力矩陀螺转子系统进行了非线性动力学分析，分析了磁悬浮转子在大范围偏离平衡点后的强非线性，建立了磁悬浮转子系统轴向与径向的非线性动力学模型。为进一步对磁悬浮转子的大范围非线性控制研究提供了理论的依据。

（2）针对磁悬浮控制力矩陀螺轴向转子大范围偏离平衡点后对系统稳定性的影响，提出了基于α逆系统结合滑模控制的非线性控制方法，设计了考虑功放环节的α逆系统线性化模型与滑模控制器，提高了转子大范围偏离平衡点后系统的鲁棒性与稳定性。仿真分析与实验验证均证明了该方法的有效性。

（3）针对磁悬浮控制力矩陀螺径向转子大范围偏离平衡点后系统强非线性、强陀螺效应耦合对系统稳定性的影响，设计了包含功放环节的α逆系统解耦控制模型，并且针对模型误差导致的残余耦合影响，采用滑模控制方法提高鲁棒稳定性。仿真结果表明该方法能够使径向磁悬浮转子系统具有良好的解耦效果，并且能提高系统的鲁棒性。

（4）针对磁悬浮控制力矩陀螺转子由于外部扰动和系统不确定等因素大范围偏离平衡点的问题。首先使用反馈线性化方法，针对其非线性模型进行线性化，然后建立转子系统的状态空间方程，并根据此状态方程建立了基于状态观测的自适应抗干扰控制方法。仿真与实验均证明该方法可以有效的提高转子系统的大范围抗干扰能力。

（5）在实验室已有的磁悬浮控制力矩陀螺平台基础上搭建了大范围非线性控制实验平台，并且在此平台上进行了一系列实验验证。