陀螺飞轮是一种新型的微小航天器姿态控制系统元件,同时集成了姿控执行器和姿态敏感器的功能,显著降低了姿态控制系统的体积、质量和成本。陀螺飞轮的控制可以分为轴向运动控制和倾侧运动控制,其中倾侧运动控制是陀螺飞轮转子控制中的重点。本文以陀螺飞轮的倾侧运动控制为研究对象,研究了不同的变增益控制方法,基于陀螺飞轮实际样机,对变增益控制器的控制效果进行了验证。首先,利用拉格朗日方程,推导了陀螺飞轮转子的完整非线性动力学方程,基于合理的假设得到了陀螺飞轮的简化模型。并使用MATLAB软件搭建了陀螺飞轮联合仿真模型。当陀螺飞轮高速旋转时,由于陀螺效应,转子同时存在进动模态和章动模态。高频段严重的相位滞后会导致转子发生章动失稳。陀螺飞轮转子的倾侧角度较大时,会使二倍频抖动增加,影响力矩输出精度,但是并不会影响系统的稳定性。其后,基于陀螺飞轮的简化模型,设计了三种变增益控制器。变增益进动控制以转子的进动特性作为主传输项,根据输入交叉轴的偏差信号生成指令。在变增益前馈矩阵控制中,变增益前馈矩阵的作用是提高陀螺飞轮对输入指令的响应速度,减小稳态误差。变增益交叉反馈控制器中,变增益交叉环节的作用是补偿陀螺飞轮系统中的相位滞后,提高陀螺飞轮系统的稳定性。交叉环节中的衰减因子需要根据陀螺飞轮和控制器的参数合理设计,否则有可能会导致系统不稳定。仿真实验的结果表明以上的三种变增益控制方法都能够保证陀螺飞轮稳定运行。最后,基于陀螺飞轮样机实验平台,对变增益进动控制器和变增益前馈矩阵控制进行了实验研究。通过对转子的交轴频率特性进行测量,能够辨识出陀螺飞轮样机的参数。实验结果与仿真结果基本一致,表明变增益进动控制和变增益前馈控制的实用性。