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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