發(fā)布時(shí)間：2020-03-22 02:25

【摘要】：當(dāng)代科技的發(fā)展使得航天器所攜帶的高精密觀測(cè)設(shè)備分辨率逐漸升高,對(duì)使用環(huán)境的穩(wěn)定性提出了更高的要求,但是航天器在軌運(yùn)行過程中,控制力矩陀螺、反作用輪和動(dòng)量輪等動(dòng)力設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生的微振動(dòng)嚴(yán)重破壞了高精密設(shè)備所需的穩(wěn)態(tài)環(huán)境,導(dǎo)致成像質(zhì)量和觀測(cè)性能下降,成為限制其應(yīng)用的主要因素。為了充分發(fā)揮精密設(shè)備的性能,對(duì)其進(jìn)行隔振是最為直接的技術(shù)手段。因此,本文以航天器精密觀測(cè)設(shè)備多自由度微振動(dòng)隔振為研究背景,進(jìn)行了基于壓電作動(dòng)器的六自由度微振動(dòng)隔振問題的深入研究。壓電作動(dòng)器是一種在振動(dòng)主動(dòng)控制中常用的作動(dòng)器,然而由于材料的固有遲滯特性,導(dǎo)致作動(dòng)器的輸入電壓和輸出位移之間存在復(fù)雜的多值映射關(guān)系,嚴(yán)重降低其在振動(dòng)控制系統(tǒng)中的性能。針對(duì)這一現(xiàn)象,本文基于神經(jīng)模糊自適應(yīng)推理系統(tǒng)建立了描述作動(dòng)器遲滯特性的數(shù)學(xué)模型,通過與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了模型的輸出精度。提出了作動(dòng)器的遲滯特性補(bǔ)償控制方法,通過仿真進(jìn)行了遲滯補(bǔ)償控制的有效性驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了對(duì)具有遲滯特性的作動(dòng)器的輸出位移精確控制,為其在振動(dòng)控制中的有效應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)基于壓電作動(dòng)器的隔振目標(biāo),研究將壓電作動(dòng)器近似為線性元件對(duì)隔振系統(tǒng)的影響,針對(duì)性的進(jìn)行了理論分析和仿真、實(shí)驗(yàn)研究。建立了基于壓電作動(dòng)器的單輸入單輸出隔振系統(tǒng),推導(dǎo)出以作動(dòng)器遲滯位移為控制輸入的隔振系統(tǒng)動(dòng)力模型,采用線性二次型高斯/回路傳遞函數(shù)恢復(fù)方法設(shè)計(jì)了振動(dòng)控制器,結(jié)合作動(dòng)器遲滯補(bǔ)償控制,進(jìn)行了作動(dòng)器遲滯補(bǔ)償控制對(duì)隔振系統(tǒng)性能提升的仿真和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,所建立的隔振系統(tǒng)能夠有效降低被控對(duì)象的振動(dòng),主動(dòng)控制算法可實(shí)現(xiàn)5 Hz~200 Hz頻段內(nèi)隔振性能提升,遲滯補(bǔ)償能夠有效提升隔振系統(tǒng)的隔振能力,并降低系統(tǒng)的能量損耗。針對(duì)具有大質(zhì)量、大尺寸和隔振系統(tǒng)安裝空間有限的精密設(shè)備的多自由度隔振問題,提出了基于壓電作動(dòng)器的六自由度隔振平臺(tái),建立了有效的隔振單元結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了承載質(zhì)量大、安裝空間小的設(shè)計(jì)目標(biāo),完成了觀測(cè)設(shè)備模擬件隔振平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可靠性驗(yàn)證。針對(duì)支腿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、連接副摩擦和作動(dòng)器遲滯特性對(duì)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)特性的影響,基于牛頓歐拉方法和作動(dòng)器遲滯運(yùn)動(dòng)方程,建立了隔振平臺(tái)完整動(dòng)力學(xué)模型,并建立以作動(dòng)器遲滯和基礎(chǔ)激勵(lì)為輸入,負(fù)載平臺(tái)運(yùn)動(dòng)變量為輸出的系統(tǒng)狀態(tài)方程,仿真結(jié)果與文獻(xiàn)所示結(jié)果高度吻合,驗(yàn)證了模型的正確性,為后續(xù)隔振平臺(tái)控制系統(tǒng)研究做準(zhǔn)備。針對(duì)六自由度隔振平臺(tái)各自由度的耦合特性及多輸入多輸出控制系統(tǒng)的輸出回路時(shí)滯問題,基于對(duì)平臺(tái)構(gòu)型的參數(shù)化分析,建立了具有普遍適用性的一類六支腿平臺(tái)的解耦方法,并結(jié)合時(shí)滯最優(yōu)控制算法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)平臺(tái)的解耦控制。通過仿真分析了六自由度隔振平臺(tái)在不同激勵(lì)信號(hào)、不同作用方向、不同控制策略情況下負(fù)載平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),驗(yàn)證了解耦控制算法的有效性,說明了在多輸入多輸出的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的振動(dòng)控制策略中引入時(shí)滯變量影響的有效性和必要性。最后,為了驗(yàn)證理論分析的正確性和隔振平臺(tái)的實(shí)際隔振能力,進(jìn)行了在不施加控制和不同控制策略作用下的隔振平臺(tái)隔振性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。根據(jù)前期設(shè)計(jì),完成了隔振平臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)、測(cè)控系統(tǒng)的建立及調(diào)試,在縱向激勵(lì)情況下,完成平臺(tái)隔振性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于平臺(tái)解耦算法和時(shí)滯最優(yōu)控制能夠在20 Hz~200 Hz范圍內(nèi)進(jìn)行有效隔振,證明了在復(fù)雜多輸入多輸出系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,考慮時(shí)滯影響并對(duì)控制系統(tǒng)修正的必要性。驗(yàn)證了本文基于壓電作動(dòng)器遲滯特性及六自由度主動(dòng)隔振平臺(tái)研究結(jié)論的正確性,為壓電作動(dòng)的六自由度隔振平臺(tái)應(yīng)用于航天器精密觀測(cè)設(shè)備多自由度微振動(dòng)隔振提供理論研究支撐和實(shí)踐基礎(chǔ)。
【圖文】：

出系統(tǒng)容許范圍的激振源采取有效的隔振措施以保證設(shè)備的高效運(yùn)行，國(guó)外大多采用被動(dòng)隔振技術(shù)[17-19]。然而衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，振源所產(chǎn)生的擾動(dòng)頻帶，如圖 1-1 所示，此時(shí)傳統(tǒng)的被動(dòng)隔振在承載剛度限制的前提下，對(duì)低頻敏荷的隔振效果不能滿足要求[20, 21]。同時(shí)，敏感設(shè)備受到來自飛行器所攜帶擾的多方向擾動(dòng)，因此需要進(jìn)行具備多自由度隔振能力的隔振系統(tǒng)的研究。

圖 1-2采用立方構(gòu)型 Stewart 平臺(tái)設(shè)計(jì)的主動(dòng)隔振裝置Fig.1-2 Active vibration isolation devices with cubic Stewart platform圖1-2(b)是由Hood Technology公司和華盛頓大學(xué)合作制造的“立方”Stewart六桿主動(dòng)隔振平臺(tái)[122]。與JPL的隔振平臺(tái)相比，HT/UW平臺(tái)采用的音圈電機(jī)作動(dòng)器行程可達(dá)前者的20倍，對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，將音圈電機(jī)基礎(chǔ)永磁體直接安裝于基座，使柔性鉸鏈串聯(lián)于執(zhí)行器一端，移除內(nèi)部重力補(bǔ)償彈簧，降低了系統(tǒng)剛度，同時(shí)降低系統(tǒng)的固有頻率至3 Hz，并通過多種傳感器如感應(yīng)線圈、測(cè)振器、壓電傳感器等提供反饋，功能更加完善，可以完成主動(dòng)隔振的同時(shí)具有進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整和精確定位的功能。但永磁體同線圈間空隙的增大，，降低了作動(dòng)器的性能。以上兩種隔振平臺(tái)的設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V448

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2594322