● 摘要
惯性执行机构作为惯性技术的一个重要分支，广泛地应用于航空航天等领域，如惯性动量轮、控制力矩陀螺、卫星天线指向机构和惯性稳定平台等。惯性执行机构技术已成为制约我国航空航天平台技术发展的瓶颈之一。惯性动量轮驱动电机的高精度控制是惯性动量轮的关键技术，其性能直接影响惯性动量轮的力矩精度。惯性稳定平台方位框驱动电机的高精度控制是惯性稳定平台的关键技术，其性能直接影响惯性稳定平台方位框的控制精度。本文以提高惯性动量轮和惯性稳定平台驱动电机的抗扰动能力和控制精度为目标，从控制系统分析和控制方法的角度出发，主要完成以下几个方面的研究工作：
针对惯性动量轮在力矩模式下无法准确复现参考力矩指令的问题，提出一种基于干扰观测器的内干扰力矩补偿方法，有效地抑制了内干扰力矩，提高了惯性动量轮输出力矩精度，使速度响应曲线和输出力矩曲线更光滑。为了进一步提高惯性动量轮的动态性能和稳态精度，将现代智能控制方法与经典PID控制算法相结合，分别采用了改进的SNPID控制算法和基于神经网络的免疫PID控制算法，构成惯性动量轮力矩模式闭环控制器。SNPID不依赖被控对象的数学模型，算法简单且易于实现；基于RBF神经网络的免疫PID控制器响应快、超调量小。
针对惯性动量轮进入可控能耗制动切换点和进入可控能耗制动与反接制动之间的切换点以及切除反接制动转速过零点时产生力矩跳变的问题，提出了一种滑模变结构控制算法，通过建立由永磁无刷直流电机和Buck DC-DC开关变换器驱动的惯性动量轮系统状态空间平均模型，设计并推导出惯性动量轮在加速运行段、可控能耗制动段和反接制动段的滑模变结构控制律。实验结果表明：所提出的滑模变结构控制算法，提高了惯性动量轮的响应速度，减小了超调量，抑制了电流脉动，改善了惯性动量轮的动静态性能和抗扰动能力。与分段PID控制方法相比，滑模变结构控制算法使惯性动量轮转速跟踪精度和输出力矩精度都提高了一个数量级。
针对永磁同步电机转速和定子磁链之间的耦合问题，提出了一种永磁同步电机定子磁链转速系统逆控制方法，对解耦之后的定子磁链子系统，采用了一种定子磁链观测器对定子磁链进行估计，并构成定子磁链闭环系统。实验结果表明：该方法具有优良的动静态性能，当负载发生突变时，控制系统对负载扰动具有良好的鲁棒性和稳定性。针对永磁同步电机转速和定子电流之间的耦合问题，分析了永磁同步电机定子电流转速系统的可逆性，并将永磁同步电机定子电流转速系统解耦成转速子系统和定子d轴电流子系统，分别设计了积分滑模速度控制器和2-DOF内模控制器。实验结果表明，该方法响应快、无超调，对模型要求低，对参数变化、外部扰动具有自适应性。
最后，为了进一步提高永磁同步电机的转速控制精度，将微分几何理论引入到永磁同步电机控制系统中，分析了利用微分几何方法和状态反馈方法设计永磁同步电机转速控制器的可行性，在此基础上设计了LQR控制器，并研究了该控制器的动态响应特性和抗干扰能力。实验结果表明：状态反馈具有理想的转速跟踪性能、良好的稳态特性和更高的控制精度。LQR最优控制简单易行、灵活性强，只要合理选取最优控制二次型目标函数中的加权阵Q值，就会提高系统抗外部干扰和适应内部参数变化的鲁棒性。
本文所取得的研究成果已应用于惯性动量轮和惯性稳定平台的研制，为惯性动量轮永磁无刷直流电机控制系统和惯性稳定平台方位框永磁同步电机控制系统的研制及工程化奠定了理论和技术基础。