陀螺仪稳定平台系统的建模与控制(2)
飞轮等一类执行机构受到控制力矩的影响很难在航天器快速机动的过程中提供令人满意的控制效果。相对而言，采用控制力矩陀螺作为执行机构能够有效地避免上述问题。可以达到高精度控制的要求。所以基于它稳定性的研究也是保证我国航天事业良好发展的核心技术。本文所研究的控制对象是由加拿大 Quanser 公司生产的陀螺仪稳定平台控制系统。它的设计结构简单易懂，且具有良好的助学性能和良好的教学性能和研究性能。1.2 国内外研究现状随着航天事业的迅速发展，对航天器姿态系统的快速性和稳定性的要求越来越高，陀螺仪的研究也已经成为了诸多国家的研究热点。上世纪 50 年代末，美国已经开始对控制力矩陀螺控制规律及结构方式进行研究了，1955 年美国首先研制成功并使用了液浮陀螺惯性导航系统，它也被称为惯性导航技术发展史上的一个重要的里程碑[8]。1973 年成功地发射了“天空实验室” ，就应用了双框架控制力矩陀螺[9]。1981 年又成功发射了国际空间站，也应用了框架平行安装的双框架控制力矩陀螺[10]。前苏联则多采用单框架控制力矩陀螺，各代的通讯及气象卫星上均采用单框架控制力矩陀螺作为它的动量交换系统，其中最有代表性的是 1986 年成功发射，2001 年坠毁的“和平号”空间站，它的姿态控制系统执行机构由反作用推理系统及六个单框架控制力矩陀螺组成单框架控制力矩陀螺包络近似球状，分析表明为最佳结构方案[11-12]。国内对于陀螺仪的研究起步较晚，但是相关技术发展的很快。在我国自主研发的“天宫一号”试验站就选择了陀螺仪作为姿态控制的执行机构，这也是陀螺仪首次应用在国内的航天器上[13-14]。天宫一号目标飞行器采用了200Nm单框架控制力矩陀螺仪作为主要的姿态控制结构，其角动量为200Nm，最大输出力矩为20Nm。天宫一号目标飞行器在资源舱配置 6 个200Nm单框架力矩陀螺，按照五棱锥构型安装[15]。
1.3 陀螺仪控制方法综述1.3.1 PID 控制方法PID 控制器具有结构简答、调节方便、易于控制等优点，在实际系统中有广泛的应用。文献[8]根据陀螺力矩工作模式的控制，将该控制器应用于陀螺仪系统取得良好的控制效果。为了提高控制效果，可将其与别的控制算法相结合。徐向波等人[16]就针对控制力矩陀螺框架的高精度周期随动要求，采用了 PID 控制器结合重复控制器的控制方式，实现了对框架伺服系统的匀速控制和对周期性型号的跟踪，使得系统具有了一定的抗干扰能力和较好的跟踪性能。马国良[17]采用了只能 PID 控制方法，在常规的 PID 控制方法之上，通过分阶段适时的改变 PID 的参数来处理系统的动态过程，成功的实现了对系统的控制。