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第1章 绪论 1

1.1 航天器姿态控制执行机构概述 1

1.2 控制力矩陀螺的发展及应用 2

1.2.1 国外CMG研究及应用现状 2

1.2.2 国内CMG研究现状 9

1.3 本书的编写特点和内容安排 11

1.3.1 编写特点 11

1.3.2 内容安排 12

1.4 本章小结 14

参考文献 14

第2章 MSCMG的总体结构设计与动力学建模 18

2.1 引言 18

2.2 MSCMG的基本结构与工作原理 19

2.2.1 单框架MSCMG的基本机构与工作原理 19

2.2.2 双框架MSCMG的基本结构与工作原理 21

2.2.3 永磁偏置混合磁轴承的基本结构与工作原理 22

2.3 MSCMG的机械结构与电磁设计 24

2.3.1 MSCMG总体方案设计 24

2.3.2 磁悬浮高速转子系统的机械结构设计 27

2.3.3 框架伺服系统的机械结构与电磁设计 34

2.4 单框架MSCMG整机动力学建模 40

2.4.1 参考坐标系 41

2.4.2 磁悬浮转子动力学建模 43

2.4.3 框架动力学建模 48

2.5 双框架MSCMG的动力学建模 52

2.5.1 参考坐标系 52

2.5.2 转子运动方程 54

2.5.3 内框架运动方程 59

2.5.4 外框架运动方程 61

2.6 本章小结 62

参考文献 62

第3章 强陀螺效应磁悬浮转子系统的涡动模态稳定性分析与判据 67

3.1 引言 67

3.2 强陀螺效应磁悬浮刚性转子章动和进动稳定判据 69

3.2.1 磁悬浮刚性转子交叉反馈控制系统的建模及变量重构 69

3.2.2 复系数SISO系统闭环特征根的分布与涡动模态的关联性 71

3.2.3 磁悬浮刚性转子章动和进动稳定判据 73

3.2.4 磁悬浮刚性转子的章动和进动相对稳定性分析方法 79

3.2.5 仿真和实验研究 83

3.3 磁悬浮高速转子弹性振动模态的复系频率特性稳定性分析方法 93

3.3.1 磁悬浮弹性转子建模 93

3.3.2 基于特征轨迹方法的系统稳定性分析 96

3.3.3 变量重构及复系数SISO系统稳定性分析 98

3.3.4 基于复系数频率特性的涡动模态稳定性分析 101

3.3.5 仿真和实验研究 103

3.4 基于涡动模态稳定判据的高速磁悬浮转子系统高稳定度控制方法 107

3.4.1 基于分散PID控制的转速自适应滤波交叉反馈控制方法 107

3.4.2 交叉反馈校正参数的保相角裕度设计方法 109

3.4.3 磁悬浮高速转子弹性振动模态陷波器校正设计方法 116

3.5 本章小结 120

参考文献 121

第4章 磁悬浮高速转子的现场动平衡和不平衡量的主动振动抑制方法 125

4.1 引言 125

4.2 含转子不平衡的磁悬浮转子系统动力学建模与分析 127

4.2.1 含转子不平衡的磁悬浮高速转子振动机理分析 128

4.2.2 含转子不平衡的磁悬浮转子系统动力学建模 129

4 2.3 含转子不平衡的磁悬浮转子系统动力学模型验证与分析 134

4.3 磁悬浮转子系统的高效、高精度现场动平衡方法 140

4.3.1 磁悬浮转子系统模型 140

4.3.2 磁悬浮转子动平衡分析 143

4.3.3 零位移控制器设计 146

4.3.4 平衡误差校正 147

4.4 基于功率放大器自适应补偿的磁悬浮转子系统不平衡振动抑制 148

4.4.1 磁轴承系统实现不平衡振动完全抑制的条件分析 149

4.4.2 磁轴承系统不平衡振动抑制与幅值相位调节器设计 152

4.4.3 仿真和实验研究 158

4.5 给定不平衡振动位移阈值的最小不平衡振动力和力矩控制 165

4.5.1 磁悬浮高速转子几何轴和惯性轴的位移关系分析 165

4 5.2 基于改进GPM的最小不平衡振动力和力矩控制 168

4 5.3 仿真和实验研究 173

4.6 本章小结 179

参考文献 180

第5章 磁悬浮高速转子系统位移传感器的多谐波电流与振动抑制 186

5.1 引言 186

5.2 含转子不平衡和Sensor Runout的磁悬浮转子系统建模与分析 188

5.3 基于重复控制的磁悬浮转子系统多谐波电流抑制 192

5.3.1 重复控制器的基本原理与性能分析 193

5.3.2 磁悬浮转子系统多谐波电流抑制的重复控制器设计 197

5.3.3 仿真和实验研究 202

5.4 基于重复控制和前馈控制的磁悬浮转子系统多谐波振动抑制 206

5.4.1 转子不平衡和Sensor Runout同频分量的辨识与补偿 206

5.4.2 磁悬浮转子系统多谐波振动抑制的控制器设计 209

5.4.3 仿真和实验研究 211

5.5 本章小结 215

参考文献 215

第6章 单框架MSCMG的高稳定度控制方法 220

6.1 引言 220

6.2 磁悬浮转子系统与框架伺服系统的动力学耦合关系 221

6.3 动力学耦合对磁悬浮转子系统的影响 224

6.3.1 动力学耦合对磁悬浮转子系统稳定性的影响 224

6.3.2 框架运动时磁轴承的受力分析 227

6.4 一种基于框架角速率-轴承电流前馈的动框架位移抑制方法 230

6.4.1 磁悬浮转子系统的角速率-电流前馈控制 231

6.4.2 角速率-电流前馈对磁悬浮转子系统的影响 232

6.4.3 动框架位移抑制效果仿真分析 233

6.4.4 前馈控制实验研究 235

6.5 动框架条件下MSCMG的反馈线性化解耦控制方法 237

6.5.1 MSCMG的系统建模及耦合性分析 238

6.5.2 MSCMG的α阶逆解耦 240

6.5.3 内模控制器的设计 245

6.5.4 涡动模态稳定判据在MSCMG转子系统解耦控制中的应用 248

6.5.5 仿真和实验研究 251

6.6 基于不对称电流检测电阻网络的MSCMG开关功放数控系统延时补偿方法 253

6.6.1 MSCMG磁轴承开关功放数控系统延时建模 254

6.6 2基于状态空间平均法的磁轴承单极性H全桥开关功放系统建模 256

6.6.3 不对称电流检测电阻网络的延时补偿特性分析 261

6.6.4 不对称电流检测电阻网络的自适应相位补偿特性分析 263

6.6.5 基于涡动模态稳定判据的不对称电流检测电阻网络优化设计方法 267

6.6.6 仿真和实验研究 270

6.7 本章小结 279

参考文献 280

第7章 单框架MSCMG的高带宽、高精度控制方法 285

7.1 引言 285

7 2 基于模态分离和转动解耦的磁悬浮转子系统高稳定度、高精度控制 286

7.2.1 系统耦合性分析 286

7.2.2 基于简化的模态控制器的模态分离控制策略 288

7 2.3 基于改进的反馈线性化方法的转动解耦控制研究 290

7.2.4 鲁棒调节器设计 293

7.2.5 动态补偿滤波器在模态解耦控制中的设计方法 295

7.2.6 仿真和实验研究 296

7.3 基于动态反馈-前馈的磁悬浮转子系统的高稳定度快响应偏转控制 304

7.3.1 磁悬浮转子偏转运动特性分析 305

7.3.2 基于动态反馈-前馈的磁悬浮转子高稳定度偏转控制方法 307

7.3.3 仿真和实验研究 311

7.4 MSCMG框架伺服高带宽控制系统 317

7.4.1 问题描述 318

7.4.2 控制系统结构及组成 320

7.4.3 非线性微分跟踪器及其稳定性分析 320

7.4.4 非线性速率环控制器 322

7.4.5 仿真和实验研究 323

7.5 本章小结 329

参考文献 329

第8章 双框架MSCMG的解耦控制方法 334

8.1 引言 334

8.2 磁悬浮高速转子与内、外框架动力学耦合分析 335

8.2.1 基于动静法的双框架MSCMG力矩输出模型 335

8.2.2 多体动力学耦合特性分析 337

8.3 基于前馈解耦的磁轴承力矩补偿控制策略 339

8.3.1 磁轴承力矩补偿控制系统组成 339

8.3.2 磁轴承力矩补偿量计算 340

8.3.3 内.外框架耦合力矩对章动稳定性影响分析 340

8.3.4 控制系统稳定性分析 342

8.4 一种角加速度信号鲁棒滤波估计方法 342

8.4.1 鲁棒H？滤波估计方法 342

8.4.2 滤波估计实验 344

8.5 磁轴承补偿控制实验研究 345

8.5.1 实验装置 345

8.5.2 内框架机动时补偿控制 347

8.5.3 外框架（σ≈90°）机动时补偿控制 348

8.5.4 外框架（σ≈0°）机动时补偿控制 349

8.6 基于电流前馈的内、外框架解耦控制方法 350

8.6.1 前馈控制算法设计 350

8.6.2 仿真和实验研究 351

8.7 本章小结 357

参考文献 357

第9章 双框架MSCMG结构模态振动鲁棒控制方法 361

9.1 引言 361

9.2 框架与陀螺房组合体结构模态分析 362

9 2.1 材料属性及有限元建模 362

9 2.2 有限元仿真分析结果 363

9.3 磁轴承控制系统的建模及耦合分析 364

9.3.1 磁轴承控制系统建模 364

9.3.2 控制通道耦合分析 367

9.4 系统不确定性分析及频域特性测试辨识 369

9.4.1 功放增益摄动确定 369

9.4.2 框架模态实验辨识 371

9.5 鲁棒μ控制器设计与稳定性分析 372

9.5.1 控制器设计方法 372

9.5.2 系统鲁棒稳定性和鲁棒性能分析 374

9 5.3 仿真研究 375

9.6 结构模态振动抑制实验研究 377

9.6.1 实验装置 377

9.6.2 参数摄动实验研究 378

9.6.3 框架结构模态振动抑制实验研究 379

9.7 本章小结 382

参考文献 382

第10章 MSCMG框架伺服系统高精度控制方法 386

10.1 引言 386

10.2 非线性摩擦特性及对框架伺服系统精度的影响 387

10 2.1 框架伺服系统非线性摩擦补偿方法综述 388

10.2.2 框架伺服系统的非线性摩擦建模与分析 391

10.2.3 基于CMAC的非线性摩擦补偿算法 394

10.2.4 仿真和实验研究 396

10.3 基于自适应逆的高频小增益扰动力矩抑制方法 401

10.3.1 高频小增益扰动力矩的建模与分析 402

10.3.2 基于自适应逆控制算法的扰动力矩消除 405

10.4 基于扩张状态观测器的谐振抑制方法 417

10.4.1 基于谐波减速器的框架伺服系统建模与问题描述 420

10.4.2 扩张状态观测器 423

10.4.3 扩张状态观测器参数设计 425

10.4.4 基于扩张状态观测器的控制器设计 426

10.4.5 仿真和实验研究 428

10.5 本章小结 434

参考文献 435

第11章 总结与展望 441

11.1 概述 441

11.2 在理论方法方面的成果 442

11.3 在技术实现方面的成果 443

11.4 需进一步研究的问题 444

参考文献 445