第23卷第9期2015年9月光学精密工程OpticsandPrecisionEngineeringVo1.23No.9Sept.2015文章编号1004—924X(2015)09—2553-09微动量轮高精度滑模变结构控制王梦,张高飞,尤政,田宁(清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京100084)摘要:基于滑模变结构算法研究了小卫星微动量轮的精确控制。在系统整体控制框架的基础上,对微动量轮动力学模型进行了分析;结合理想模型引入纹波电压、摩擦系数不确定性、扰动力矩等干扰因素,完善了微动量轮动力学模型。设计了等效滑模变结构控制算法,并对控制率参数进行了仿真优化。通过MATIAB仿真,对比分析了滑模变结构控制和常规PI控制在转速控制和力矩控制两种模式下的特性。最后,实验设计了微动量轮样机。仿真结果表明:基于滑模变结构控制的微动量轮转速控制精度达到±0.5r/rain,从0加速到2000r/rain的时间为l8s,均明显优于PI控制。实验结果表明:利用滑模变结构控制的微动量轮转速控制精度达到±0.9r/min,从0加速到2000r/min的时间为26S。上述结果显示:利用滑模变结构控制算法可以有效克服微动量轮控制中的干扰因素,提高转速控制精度和输出力矩稳定度,缩短转速变化响应时问。关键词:小卫星;姿态控制;微动量轮;滑模控制;仿真计算;样机实验中图分类号:V448.22;TP273文献标识码:Adoi:10.3788/OPE.2O152309.2553Highprecisionslidingmodecontrolformicro-momentumwheelWANGMeng—bi,ZHANGGao—fei,YOUZheng,TIANNing(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasurementTechnologyandInstrumentsDepartmentofPrecisionInstrument,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)*C0rr8s0咒gauthor,E-mail:wangmbl020@gmail.tomAbstract:Theprecisioncontrolofamicro—momentumwheelinmicro—satellitewasresearchedbasedonaslidingmodecontrolalgorithm.Onthebasisofthewholecontrolsystemframework,thedynamicmodelofthemicro-momentumwheelwasanalyzed.Combinationoftheidealroode1andconsiderationoftheinterferencefactorssuchasripplevoltage,theuncertaintyoffrictioncoefficient。anddisturbancetorque,thedynamicmodelofmicro—momentumwheelwasimproved.Then,slidingmodecontrolalgorithmwasdesigned,andsimulationcontrolrateparameterswereoptimized.ThroughMATLABsimulation,slidingmodecontrolandconventionalPIcontrolwerecomparedforthetorauecontrolandspeedcontro1.Finally,amicro—momentumwheelprototypewasdesigned.Thesimu1ationresultsshowthatthespeedcontrolprecisionofthemicro—momentumwhee1basedonslidingmodecontrolis-+-0.5r/minanditcanacceleratefrom0to2000r/minin18s,botharemuchbetterthanthatbasedonPIcontro1.Experimentalresultsdemonstratethatthespeedcontro1precisionofthemicro—momentumwheelbasedonslidingmodecontrolis±0.9r/minanditcanacceleratefrom0to2000r/minin26S.Theseresultsindicatethatslidingmodecontrolalgorithmelfective1vovercomes收稿日期:2015-03—17;修订日期:2015—04—10.基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(No.2013AA122601)光学精密工程第23卷thecontrolinterferencefactorsofthemicro—momentumwheelandimprovesthespeedcontrolprecision,shortenstheaccelerationtime.Keywords:micro—satellite;attitudecontrol;micro—momentumwheel;slidingmodecontrol;simulationandcalculation;prototypeexperiment1引言微小卫星是指质量小于1000kg的卫星[1]。由于微小卫星具有体积小、重量轻、研制和发射成本低、研制周期短等优势[2],在过去十余年内发展迅速,全球已成功发射微小卫星497颗,占卫星发射总数的41.21[3]。2013年,全球微小卫星发射呈爆发式增长态势,共成功发射146颗_4]。目前,微小卫星已经在遥感、导航、通讯、技术试验、空间对抗等多个领域发挥重要作用。随着微小卫星应用研究的深入,对微小卫星平台的姿态控制精度要求不断提高。微动量轮具有可靠性高、控制精度高...