【摘要】：由于航天器發(fā)射和運(yùn)行的空間環(huán)境特點(diǎn),決定了航天任務(wù)具有高風(fēng)險、高成本特征,因而航天器及其元器件不能在空間進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。這樣一來,地面的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證就顯得特別重要。由航天器與地球等星體的時空關(guān)系和運(yùn)動特性形成的微重力環(huán)境構(gòu)建,是航天器設(shè)計(jì)、制造、測試,特別是運(yùn)行、操作過程驗(yàn)證與重現(xiàn)最為必要的地面設(shè)施。目前,地面模擬空間微重力環(huán)境的系統(tǒng)構(gòu)建有多種方式,主要有:機(jī)電控制懸吊法、自由落體運(yùn)動法、氣懸浮法、液浮法等。西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)新近提出了“電磁力系統(tǒng)+液浮法懸浮微重力環(huán)境地面模擬方法”,在液體浮力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入磁懸浮系統(tǒng),并將兩者結(jié)合~([1]),可以完美的解決現(xiàn)有液浮法微重力模擬系統(tǒng)存在的不足,同時具備對實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)提供長時間、三維微重力模擬效應(yīng)、大范圍六自由度運(yùn)動空間、懸浮高度任意調(diào)節(jié)能力等優(yōu)勢。該方法的核心之一是引入非接觸力(電磁力)作為目標(biāo)物受力(重力+浮力+電磁力)的精確補(bǔ)償手段,實(shí)現(xiàn)了空間操作微重力環(huán)境的地面模擬。作為該團(tuán)隊(duì)重要參與者,依托國家863計(jì)劃的支持,重點(diǎn)研究了一種基于分布式電磁線圈陣列的大間隙永磁+電磁混合磁懸浮系統(tǒng),該系統(tǒng)具備了大間隙電磁力作用、電磁力精確控制、電磁力軸向均勻等特點(diǎn)。本文以分析和解決大間隙電磁力精確補(bǔ)償控制為主線,對混合磁懸浮系統(tǒng)的工作機(jī)理、系統(tǒng)組成、電磁力建模、運(yùn)動控制策略以及實(shí)驗(yàn)平臺的搭建等一系列問題進(jìn)行了深入研究,取得了如下研究成果:基于空間操作地面微重力模擬系統(tǒng)大間隙電磁力作用的需求,提出了“軸向均勻電磁力運(yùn)動場”的設(shè)計(jì)理念,設(shè)計(jì)了一種分布式電磁線圈陣列+永磁運(yùn)動體的混合磁懸浮系統(tǒng)。研究了該系統(tǒng)的電磁特性;以滿足最大懸浮力為設(shè)計(jì)指標(biāo),以混合磁懸浮系統(tǒng)功率能耗為優(yōu)化目標(biāo),獲得了混合磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一般設(shè)計(jì)方法;建立了混合磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型,研究了系統(tǒng)各參量與電磁力的影響機(jī)理,闡明了其構(gòu)建方案和關(guān)鍵技術(shù),解決了大間隙環(huán)境下混合懸浮系統(tǒng)磁場均勻性問題。揭示了混合磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與電磁力的影響機(jī)理,對分布式電磁線圈陣列的空間磁場分布進(jìn)行了定量模擬,結(jié)合磁路法與虛位移法,建立了混合磁懸浮系統(tǒng)工作模式下電磁力數(shù)學(xué)模型,闡明了電磁力空間位置矢量變化與不同工作單元之間的定量關(guān)系;通過仿真和測試實(shí)驗(yàn)對電磁力模型的計(jì)算精度進(jìn)行了驗(yàn)證,指出了這種建模方法可以有效的描述分布式電磁線圈陣列+永磁運(yùn)動體的電磁作用力;同時指出了在大間隙磁懸浮工況下,渦流損耗、等效氣隙面積等因素也會對電磁力模型造成影響。針對混合磁懸浮系統(tǒng)的非線性、大滯后性等特點(diǎn),論文研究了混合磁懸浮系統(tǒng)在軸向均勻力場的動力學(xué)模型,提出了基于平衡點(diǎn)線性化的復(fù)合PID控制方法,補(bǔ)償了系統(tǒng)的滯后效應(yīng);設(shè)計(jì)了基于位置控制的動態(tài)非線性控制器,通過仿真和實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了基于平衡點(diǎn)線性化的動態(tài)非線性控制器與傳統(tǒng)的PID控制器相比,能夠使大間隙混合磁懸浮系統(tǒng)獲得更快的響應(yīng)速度和更小的動態(tài)誤差,并能夠使系統(tǒng)在大間隙工況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。在相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上,搭建了混合磁懸浮系統(tǒng)的原理性試驗(yàn)平臺,采用軸向加速度傳感器和三維空間位置測量裝置,反饋懸浮體的運(yùn)動狀態(tài)及位置信息,分別進(jìn)行了磁場均勻性測試、混合磁懸浮系統(tǒng)動力學(xué)模型驗(yàn)證、電磁力精確控制測試、“電磁力+液浮”實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的微重力模擬水平測試;結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的有效性、軸向電磁力動態(tài)精確補(bǔ)償控制策略及本文的理論研究結(jié)果的正確性。綜上所述,本文所論述的大間隙混合磁懸浮平臺,建立的系統(tǒng)動力學(xué)模型以及所設(shè)計(jì)的動態(tài)非線性控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對懸浮體實(shí)驗(yàn)空間任意高度的穩(wěn)定懸浮控制,以及運(yùn)動狀態(tài)下的重力精確補(bǔ)償。該項(xiàng)研究對“電磁力系統(tǒng)+液浮法懸浮微重力環(huán)境模擬方法”走向?qū)嶋H工程應(yīng)用具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V416.5
【圖文】：

地面微重力研究實(shí)驗(yàn)裝置之一，如圖 1.1 所示。a) 不萊梅落塔的外觀 b) 落塔的下落倉 c) 試驗(yàn)中的下落倉圖1.1 不萊梅落塔（2）失重飛機(jī)失重飛機(jī)的基本原理：根據(jù)動力學(xué)原理，在地球的引力范圍內(nèi)，只有當(dāng)物體加速或減速過程中所受的慣性力與地球引力相抵消時，才能是物體使物體處于真實(shí)的失重狀態(tài)，即表現(xiàn)重力為零。依據(jù)上述原理，飛機(jī)在地球引力場內(nèi)飛行時，通過特定的操作可以在短時間產(chǎn)生類似自由落體的狀態(tài)，形成一種失重環(huán)境。失重飛機(jī)就是能夠完成這種飛行的飛機(jī)，一般由現(xiàn)有飛機(jī)改裝而成，可以在每個架次連續(xù)執(zhí)行多個拋物線飛行任務(wù)，每個拋物線軌跡將完成“超重-失重-超重”的交替變化，其過程如圖 1.2 所示。失重飛機(jī)通過在空中沿著拋物線軌跡機(jī)動飛行來實(shí)現(xiàn)對失重環(huán)境的模擬。其物理過程并不復(fù)雜

第一章 緒論5圖1.2 失重飛機(jī)的飛行過程（3）探空火箭利用探空火箭在高空中飛行也是構(gòu)建微重力環(huán)境的一種技術(shù)手段。與失重飛機(jī)相比，探空火箭可以實(shí)現(xiàn)更長時間和較高質(zhì)量的微重力。探空火箭可以達(dá)到海拔 100 公里以上的高度，這里的空氣密度是地球的表面的一千萬分之一，拖拽阻力變得極小。當(dāng)火箭引擎停止工作，唯一的作用力便是地心引力和一個可以忽略的拖拽力，火箭即作自由落體運(yùn)動，可以在 6~15 分鐘內(nèi)達(dá)到 10-5g 的微重力試驗(yàn)條件[1-2]，如下圖 1.3 所示。圖1.3 探空火箭的飛行過程1.3.2 利用懸吊系統(tǒng)平衡重力通過滑輪組和吊絲將懸浮體與重力補(bǔ)償裝置連接起來，利用重力補(bǔ)償裝置抵消實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的重力，獲得地面模擬微重力環(huán)境效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其基本原理是實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)所受的重力由重力補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償。其中重力補(bǔ)償裝置作為吊絲系統(tǒng)的核心機(jī)構(gòu)

如下圖 1.3 所示。圖1.3 探空火箭的飛行過程1.3.2 利用懸吊系統(tǒng)平衡重力通過滑輪組和吊絲將懸浮體與重力補(bǔ)償裝置連接起來，利用重力補(bǔ)償裝置抵消實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的重力，獲得地面模擬微重力環(huán)境效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其基本原理是實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)所受的重力由重力補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償。其中重力補(bǔ)償裝置作為吊絲系統(tǒng)的核心機(jī)構(gòu)，主

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本文編號：2795132