题目：基于磁悬浮控制力矩陀螺的航天器姿态控制技术研究

磁悬浮单框架控制力矩陀螺(SGCMG)输出力矩大、寿命长，且只消耗电能，在航天控制领域内引起了广泛关注。然而，航天器快速机动以及框架转动引起的动框架效应不仅使磁悬浮SGCMG输出力矩精度下降，而且影响磁悬浮系统的稳定性，严重时甚至可导致系统崩溃。为此，在国家自然科学基金(10772011)的支持下，本文针对磁悬浮SGCMG在航天器姿态控制应用中的理论问题和关键技术进行了深入研究，研究成果可用于大型航天器姿态的高精度高稳定度控制或灵敏航天器姿态的快速机动与快速稳定，具有重要的理论意义和工程应用价值。本文取得的主要研究成果如下：首先，针对采用磁悬浮SGCMG作为姿态控制执行机构的挠性航天器，建立了姿态动力学模型，并分析了航天器姿态运动、SGCMG框架运动及磁悬浮转子运动之间的相互作用及影响。分析结果表明，较大的框架角速度会影响磁悬浮系统的稳定性，必须对框架角速度指令及框架伺服系统性能进行优化，以免框架角速度超出磁悬浮系统的控制能力。其次，针对SGCMG框架伺服系统角位置及角速度高精度检测问题，提出了一种基于状态观测器的双通道旋转变压器数字转换算法。该算法仅用一个状态观测器即可实现粗/精双通道的信号解调及信息融合，不仅避免了常规方法粗/精通道融合时面临的纠错问题，而且算法简单，易于实现。与反正切法相比，基于状态观测器的算法不需通过数值差分即可获得角速度信息，且有较强的干扰抑制能力。与角度跟踪型方法相比，该算法考虑了电机转速变化，角位置及角速度估计精度较高。第三，针对SGCMG框架伺服系统存在的严重干扰，提出了一种基于旋转变压器调制信号的框架伺服系统自抗扰控制器。在该控制器中，利用跟踪微分器对框架角速度指令进行平滑，降低了指令突变给系统带来的冲击；将旋转变压器解调与扩张状态观测器融合，在进行状态观测的同时实现了旋转变压器解调，简化了控制器结构；对观测得到的系统内外扰动进行补偿，提高了系统的抗干扰能力。另外，针对框架伺服系统框架角绝对位置控制的需要，提出了一种框架伺服系统角速度/角位置混合控制器。该控制器不仅可实现框架角速度闭环控制，而且可以实现框架绝对角位置保持，满足框架伺服系统的特殊需求。第四，针对构型效益及可控效益对构型性能描述的不足，定义了角动量利用率和非奇异率对构型进行了分析与评价。在此基础上，为直观反映不同构型对奇点分布的影响，引入奇异可视化方法对不同构型下的奇异角动量曲面分布情况进行了对比。分析结果表明，SGCMG个数和构型对称性是影响构型指标和奇异角动量曲面分布的主要因素，可依据设计指标进行优化。第五，针对伪逆型操纵律接近奇异时框架角速度指令过大的不足，提出了动态操纵律、复合操纵律和递归神经网络操纵律。三种操纵律与梯度型伪逆操纵律相比，只需计算Jacobi矩阵的转置，不再计算Jacobi矩阵的伪逆，避免了接近奇异时框架角速度指令过大的问题，均具有良好的奇异回避及逃逸能力。与奇异鲁棒逆型操纵律相比，本文所提出的操纵律在奇异回避和逃逸过程中操纵误差小，脱离奇异所用的时间短，而且输出框架角速度较小，满足磁悬浮SGCMG的特殊要求。第六，针对航天器姿态机动和零姿态稳定，提出了一种基于姿态角及角速度观测信息的扩张状态观测器，设计了航天器姿态自抗扰控制器。与一般形式的扩张状态观测器相比，本文的观测器充分利用了航天器陀螺和姿态敏感器信息，观测精度高，收敛速度快。与一般控制方法相比，自抗扰控制器可以实现航天器在结构参数不确定及受较大扰动情况下的良好控制。最后，针对航天器力矩平衡姿态稳定，当航天器物理参数确知时，设计了姿态/动量非线性控制器。该控制器采用重力梯度力矩对控制力矩陀螺进行连续卸载，可在满足飞行任务前提下，建立航天器指向和控制力矩陀螺动量管理间的折衷。当航天器物理参数不确知时，在非线性控制器的基础上，设计了姿态/动量自适应控制器。该控制器可通过对航天器物理参数的在线估计，实时调整控制作用，可以抑制航天器参数不确定性对姿态/动量控制性能的影响。