本文關(guān)鍵詞：基于電磁作動(dòng)器的整星主被動(dòng)一體化隔振技術(shù)研究

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【摘要】：航天器在短短幾十分鐘的發(fā)射階段要承復(fù)雜和惡劣的動(dòng)力學(xué)環(huán)境,包括作用在航天器表面的火箭整流罩內(nèi)的噪聲載荷和通過(guò)星箭連接面?zhèn)鬟f來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和分離裝置的爆炸沖擊。這些強(qiáng)烈的振動(dòng)如果不加以有效的抑制,將可能引起局部失穩(wěn)、承力件斷裂或結(jié)構(gòu)破壞;也可能對(duì)振動(dòng)敏感的組件造成指標(biāo)漂移、工作失效等故障。整星隔振通過(guò)研究航天器隔振和阻尼技術(shù)對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性的影響,依據(jù)發(fā)射階段的動(dòng)力學(xué)環(huán)境制定相應(yīng)的技術(shù)方案從而在不改變航天器結(jié)構(gòu)的前提改善航天器振動(dòng)環(huán)境和動(dòng)力學(xué)特性,有效地提高系統(tǒng)的可靠性,降低發(fā)射失敗的風(fēng)險(xiǎn)。本文從研究和設(shè)計(jì)一種電磁作動(dòng)器出發(fā),分別在單軸、六自由度Stewart隔振平臺(tái)以及大型柔性航天器整星隔振器等幾種典型機(jī)構(gòu)中研究作動(dòng)器的應(yīng)用及主被動(dòng)一體化振動(dòng)控制方法。本文主要研究了以下幾方面內(nèi)容:首先提出和論述了電磁隔振器的原理、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題,作為整篇文章的基礎(chǔ)和主線。介紹了電磁作動(dòng)器設(shè)計(jì)中所涉及的電磁場(chǎng)基本理論,針對(duì)課題所選用的直線音圈式電磁作動(dòng)器的工作原理進(jìn)行分析;提出電磁作動(dòng)器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則并給出設(shè)計(jì)方案;通過(guò)理論計(jì)算及電磁有限元仿真分析對(duì)此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及作動(dòng)性能的初步分析。其次深入研究了單軸電磁隔振系統(tǒng)的原理、特性及基于線性空間描述的控制方法。根據(jù)主動(dòng)隔振的基本原理給出了主動(dòng)控制系統(tǒng)的兩種數(shù)學(xué)模型,并介紹了系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本判據(jù);介紹了線性控制系統(tǒng)的LQR最優(yōu)控制律及其基于狀態(tài)觀測(cè)器的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題;針對(duì)電磁作動(dòng)器樣機(jī)設(shè)計(jì)了單自由度主動(dòng)隔振系統(tǒng),通過(guò)仿真比較了不同參數(shù)下LQR最優(yōu)控制器和帶降維狀態(tài)觀測(cè)器的最優(yōu)控制系統(tǒng)的隔振效果;針對(duì)電磁隔振器的反電動(dòng)勢(shì)帶來(lái)的輸入輸出非線性問(wèn)題提出了電流環(huán)PID控制器,使輸出電流復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào),從而使作動(dòng)力與輸入信號(hào)成線性比例關(guān)系;針對(duì)由柔性載荷隔振系統(tǒng)簡(jiǎn)化而來(lái)的二自由度隔振系統(tǒng)進(jìn)行了控制器設(shè)計(jì)與仿真分析。隨后,采用Stewart平臺(tái)作為隔振機(jī)構(gòu),研究了剛性衛(wèi)星的6自由度隔振。采用Newton-Euler法分別分析了隔振平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性,建立任務(wù)空間和關(guān)節(jié)空間下的動(dòng)力學(xué)方程及線性化處理,分析了系統(tǒng)的響應(yīng)、傳遞函數(shù)等特性;針對(duì)Stewart平臺(tái)多入多出和輸出反饋的控制需求以及建模、噪聲等不確定性因素的影響,介紹了H∞魯棒控制律的原理;在前文分析的基礎(chǔ)上,對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)中可能存在的噪聲、測(cè)量誤差等不確定性因素,選定合適的加權(quán)函數(shù),并求解出相應(yīng)的H∞控制矩陣,研究Stewart隔振平臺(tái)的主動(dòng)隔振效果。接著提出了一種嵌入式整星隔振系統(tǒng),將電磁作動(dòng)器應(yīng)用于其中設(shè)計(jì)了用于大型柔性航天器的主被動(dòng)一體化隔振平臺(tái)。給出了隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分析了增加隔振系統(tǒng)前后固有特性的改變;介紹了多自由度彈性系統(tǒng)的模態(tài)空間描述方法和模態(tài)力與實(shí)際作用力的轉(zhuǎn)換關(guān)系,給出了獨(dú)立模態(tài)控制的方法和基本步驟;分別通過(guò)模態(tài)觀測(cè)和特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的思想給出了多自由度系統(tǒng)模態(tài)控制的兩種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法,并通過(guò)模型降階使控制系統(tǒng)真正能夠在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn);基于前文介紹的H?方法,針對(duì)隔振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型求解了魯棒控制率并進(jìn)行仿真分析。最后對(duì)基于電磁作動(dòng)器的幾種典型隔振機(jī)構(gòu)進(jìn)行了隔振平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)單個(gè)作動(dòng)器的單自由度隔振系統(tǒng)進(jìn)行了掃頻和定頻實(shí)驗(yàn),以研究電磁作動(dòng)器的特性并驗(yàn)證作動(dòng)器的設(shè)計(jì);分別針對(duì)Stewart隔振平臺(tái)及主被動(dòng)一體化隔振平臺(tái)進(jìn)行了整星隔振實(shí)驗(yàn),對(duì)動(dòng)力學(xué)模型和控制理論做出了驗(yàn)證,并驗(yàn)證了電磁作動(dòng)器在整星隔振應(yīng)用中的可行性。
【關(guān)鍵詞】：整星隔振 主動(dòng)隔振 電磁作動(dòng)器 Stewart隔振平臺(tái) H_∞控制 模型降階
【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】：2015
【分類號(hào)】：V441
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-30
• 1.1 課題背景及研究意義14-16
• 1.1.1 課題背景14
• 1.1.2 課題研究的目的和意義14-16
• 1.2 整星隔振技術(shù)研究現(xiàn)狀16-24
• 1.2.1 國(guó)外整星隔振技術(shù)研究現(xiàn)狀17-22
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)整星隔振研究現(xiàn)狀22-24
• 1.3 振動(dòng)主動(dòng)控制研究現(xiàn)狀24-28
• 1.3.1 主動(dòng)隔振控制律的研究現(xiàn)狀24-25
• 1.3.2 隔振器的分類及選擇25-28
• 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容28-30
• 第2章 電磁作動(dòng)器隔振原理及設(shè)計(jì)30-46
• 2.1 引言30
• 2.2 電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)30-33
• 2.2.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度30-31
• 2.2.2 麥克斯韋方程組31-32
• 2.2.3 洛倫茲力32-33
• 2.3 電磁隔振器的隔振原理33-37
• 2.3.1 電磁式主動(dòng)隔振器工作原理簡(jiǎn)述33-34
• 2.3.2 電磁作動(dòng)器電—力常數(shù)的計(jì)算34-35
• 2.3.3 線圈反電動(dòng)勢(shì)的影響和利用35-37
• 2.4 電磁式主動(dòng)隔振器的設(shè)計(jì)37-40
• 2.4.1 電磁式主動(dòng)隔振器設(shè)計(jì)中遵循的原則37-38
• 2.4.2 電磁式主動(dòng)隔振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)38-40
• 2.5 電磁式作動(dòng)器的仿真分析及參數(shù)優(yōu)化40-44
• 2.5.1 電磁式作動(dòng)器的磁場(chǎng)分析40-42
• 2.5.2 電磁式作動(dòng)器的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)42-44
• 2.6 本章小結(jié)44-46
• 第3章 單軸電磁式主被動(dòng)隔振系統(tǒng)分析46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 振動(dòng)主動(dòng)控制問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型46-51
• 3.2.1 連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型46-48
• 3.2.2 反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題48-49
• 3.2.3 連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述49-51
• 3.3 單軸電磁隔振系統(tǒng)的狀態(tài)反饋與觀測(cè)器設(shè)計(jì)51-55
• 3.3.1 狀態(tài)反饋與極點(diǎn)配置51
• 3.3.2 線性二次型最優(yōu)調(diào)節(jié)器(LQR)設(shè)計(jì)51-52
• 3.3.3 主動(dòng)隔振系統(tǒng)的狀態(tài)觀測(cè)器52-55
• 3.4 單自由度主動(dòng)電磁隔振系統(tǒng)分析55-62
• 3.4.1 單自由度電磁隔振系統(tǒng)模型的建立55-57
• 3.4.2 單自由度隔振系統(tǒng)的控制律設(shè)計(jì)與仿真57-62
• 3.5 二自由度主動(dòng)電磁隔振系統(tǒng)分析62-66
• 3.5.1 電磁隔振系統(tǒng)的電流環(huán)反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)62-63
• 3.5.2 二自由度電磁隔振系統(tǒng)模型的建立63-64
• 3.5.3 二自由度電磁隔振系統(tǒng)的控制律設(shè)計(jì)與仿真64-66
• 3.6 本章小結(jié)66-68
• 第4章 基于電磁作動(dòng)器的剛性衛(wèi)星Stewart隔振平臺(tái)68-86
• 4.1 引言68-69
• 4.2 電磁式Stewart平臺(tái)動(dòng)力學(xué)建模69-74
• 4.2.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換69-70
• 4.2.2 支腿的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析70-72
• 4.2.3 上平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)分析72-74
• 4.3 H_∞魯棒控制理論基礎(chǔ)74-77
• 4.3.1 函數(shù)空間與H2 / H_∞范數(shù)74-75
• 4.3.2 不確定性的分析和建模75-76
• 4.3.3 狀態(tài)空間實(shí)現(xiàn)和H_∞標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題76-77
• 4.4 電磁式Stewart隔振平臺(tái)的H_∞控制器設(shè)計(jì)77-84
• 4.4.1 控制模型的建立77-79
• 4.4.2 加權(quán)函數(shù)的選取79-81
• 4.4.3 控制系統(tǒng)仿真分析81-84
• 4.5 本章小結(jié)84-86
• 第5章 電磁式主被動(dòng)一體化整星隔振器的設(shè)計(jì)86-104
• 5.1 引言86
• 5.2 基于電磁作動(dòng)器的主被動(dòng)一體化整星隔振器設(shè)計(jì)86-91
• 5.2.1 整星隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)86-87
• 5.2.2 整星隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成87-88
• 5.2.3 系統(tǒng)固有特性分析88-91
• 5.3 隔振器及柔性衛(wèi)星載荷的模態(tài)空間描述91-94
• 5.4 主被動(dòng)一體化主動(dòng)隔振的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)94-100
• 5.4.1 模態(tài)觀測(cè)器94-96
• 5.4.2 特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法96-98
• 5.4.3 模型降階98-100
• 5.5 主被動(dòng)一體化隔振器的H_∞控制律設(shè)計(jì)與仿真分析100-103
• 5.5.1 系統(tǒng)模型的識(shí)別100-101
• 5.5.2 主被動(dòng)一體化隔振器的H_∞控制律的仿真分析101-103
• 5.6 本章小結(jié)103-104
• 第6章 電磁隔振器的實(shí)驗(yàn)研究104-120
• 6.1 引言104
• 6.2 主動(dòng)隔振控制系統(tǒng)的硬件組成及實(shí)驗(yàn)裝置104-107
• 6.3 單自由度電磁隔振器的實(shí)驗(yàn)研究107-110
• 6.3.1 單自由度隔振系統(tǒng)正弦掃頻激勵(lì)下的隔振實(shí)驗(yàn)108-110
• 6.3.2 單自由度隔振系統(tǒng)固定頻率正弦激勵(lì)下的隔振實(shí)驗(yàn)110
• 6.4 基于Stewart平臺(tái)的剛性有效載荷隔振實(shí)驗(yàn)110-117
• 6.4.1 Stewart平臺(tái)剛性衛(wèi)星正弦掃頻激勵(lì)隔振試驗(yàn)113-116
• 6.4.2 Stewart平臺(tái)剛性衛(wèi)星定頻激勵(lì)隔振試驗(yàn)116-117
• 6.5 電磁式主被動(dòng)一體化整星隔振實(shí)驗(yàn)117-119
• 6.6 本章小結(jié)119-120
• 結(jié)論120-123
• 參考文獻(xiàn)123-131
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及成果131-134
• 致謝134-135
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷135

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