● 摘要
随着对地观测和天文观测对分辨率要求的提高，要求卫星平台具有“超稳、超静” 的姿态控制能力。基于一般飞轮的姿态控制系统由于响应速度慢、带宽低，难以抑制 星上瞬时大扰动力矩和频率相对较高的扰动力矩，极大的限制了卫星平台姿态稳定度 的提高。因而，发展具有高带宽力矩输出的姿态执行器变得越来越重要。以磁轴承替 代滚珠轴承支承的磁悬浮飞轮具有无摩擦、高精度和长寿命等优势，且可以通过主动 控制减小其自身的振动，此外，全主动磁悬浮飞轮还可以通过使旋转转子的转轴主动 偏转来输出高带宽和瞬时较大的两自由度陀螺力矩，称为偏转力矩。具有偏转力矩输 出的磁悬浮飞轮可以提高姿态控制系统的带宽和抑制瞬时大扰动力矩，是磁悬浮飞轮 发展的一个重要方向。因此，本文对实现高精度、高带宽和微振动偏转力矩输出的偏 转跟踪控制方法及其实验验证进行了系统的研究。主要进行了以下几方面的研究：
（1）针对电磁力矩非线性在转轴大范围偏转时的影响，从提供偏转力矩的磁轴承 产生的电磁力出发，分析电磁力矩的非线性，对于随转轴偏转角度而变化的电流刚度 系数，提出一种自适应反步控制方法，将电流刚度看作为未知的不确定并设计自适应 律进行调节，实现具有参数不确定的快速跟踪控制。仿真和实验结果表明，与交叉反 馈方法相比，自适应反步方法显著提高了跟踪控制的响应速度。 （2）针对转轴偏转时提供平动力的轴承会在偏转自由度上产生耦合的干扰力矩影 响偏转控制的精度的问题，提出一种基于滑模控制理论的反步双积分滑模方法来对这 一不可建模扰动进行抑制，其滑模面的设计同时考虑了两个级联子系统输出的积分以 提高系统的跟踪精度，同时采用双曲正切函数作为切换函数以减小抖振。为了进一步 减小切换增益较大时的抖振问题，根据偏转角和滑模变量设计模糊算法对切换增益进 行自适应调节。仿真和实验结果表明，反步双积分滑模方法可以显著提高耦合干扰下 的偏转角和偏转角速度跟踪精度，模糊自适应调节切换增益的算法可以有效减小系统 稳态时的抖振幅值。
（3）针对飞轮由不平衡引起频率时变的同频偏转角跳动量和同频振动力矩输出问 题，通过建立同频干扰的模型，提出一种基于扰动观测器的复合控制方法对同频扰动 进行抑制以提高偏转角控制精度，并通过增益规划对观测器增益和控制器增益自适应 调节。为了减小同频振动力矩输出，同时又不影响其输出同频有效控制力矩，提出一种结合扰动前馈的基于干扰观测器的控制方法。仿真和实验结果表明，基于干扰观测器的复合控制方法可以有效抑制同频干扰力矩，显著提高偏转角控制精度，结合增益规划方法可以保证在干扰频率变化时系统的稳定性，且采用干扰前馈方法可以有效抑制飞轮的同频振动力矩输出。
（4）针对全主动磁悬浮飞轮在高稳定度姿态控制中的应用问题，在实现转子稳定悬浮及转轴主动偏转的基础上，对偏转力矩的响应速度、带宽和最大输出力矩进行了测试，对于具有全主动磁悬浮飞轮的姿态控制系统，提出一种基于全主动磁悬浮飞轮转速和转向与航天器姿态集中设计的姿态复合控制策略，将作用于航天器的干扰力矩在频率上分为三个部分，利用基于姿态角速率反馈的干扰补偿并结合姿态控制律来抑制瞬时大扰动力矩和周期性扰动力矩。仿真结果表明，扰动力矩得到了快速的抑制，显著降低了姿态角速度的跳动量幅值。