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基于电磁作动器的Stewart隔振平台振动主动控制研究

发布时间:2017-08-05 17:29

  本文关键词:基于电磁作动器的Stewart隔振平台振动主动控制研究


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【摘要】:航天器在轨运行期间主要受到一种振动幅值较小,频率范围较广的抖动响应,即微振动的影响。由于振动幅值很小,微振动的影响常常被忽略。然而,对于高精度的航天器来说,微振动会影响其姿态稳定度和有效载荷的精确指向,迫切需要引入隔振装置来降低微振动对高精度航天器的影响。Stewart平台作为一种典型的并联机构,具有刚度大、承重力强和精度高等优点,在隔振领域得到了广泛的应用。本文采用基于电磁作动器的6-DOF Stewart隔振平台对航天器微振动问题进行主动控制研究,主要研究内容包括以下几方面:首先介绍了本文采用的电磁作动器的隔振原理和结构设计。简述了与电磁作动器的结构设计密切相关的电磁场基本理论;在此基础上,阐述了电磁作动器的工作原理和隔振原理;提出了电磁作动器结构设计过程中应该遵循的一些原则,并给出了作动器的具体结构;通过软件仿真计算和实验测定的方式得到了作动器的重要参数-力常数,两者的对比验证了作动器结构设计的有效性。建立了基础激励作用下Stewart隔振平台的动力学方程。采用Newton-Euler法,对支腿和上平台进行了运动学分析和动力学分析,得到了任务空间下的6个自由度的动力学方程;根据微振动的工作环境对动力学方程进行了线性化处理。采用遗传算法对平台进行了动力学各向同性优化,得到了Stewart隔振平台的具体结构参数。对线性化的动力学方程的刚度矩阵和阻尼矩阵进行了解耦,保证平台具有良好的运动学特性;在解耦结构的基础上,提出了一个基于固有频率的动力学各项同性指标;采用遗传算法对平台结构参数进行了优化,基于优化结果采用Solidworks软件建立了平台的3-D模型以验证其装配特性,并在实验室中制造了实际模型。采用H_∞鲁棒控制算法对Stewart隔振平台进行了微振动环境下的振动主动控制研究。仿真结果表明在目标频率范围内能达到预期的控制目标,为主动控制实验的进行打下了良好的基础;对Stewart平台进行正弦扫频实验,验证了动力学模型的准确性以及H_∞鲁棒控制算法在Stewart平台振动主动控制应用中的有效性。
【关键词】:微振动 电磁作动器 Stewart隔振平台 优化 H_∞鲁棒控制
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:V441;TB535
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 绪论10-19
  • 1.1 课题的来源10
  • 1.2 课题的研究背景、目的和意义10-12
  • 1.3 Stewart平台振动主动控制国内外研究现状12-18
  • 1.3.1 Stewart平台运动学研究现状12-13
  • 1.3.2 Stewart平台动力学研究现状13-14
  • 1.3.3 Stewart平台优化设计研究现状14-16
  • 1.3.4 Stewart隔振平台作动器种类和控制算法研究现状16-18
  • 1.4 本文的主要研究内容18-19
  • 第2章 电磁作动器的隔振原理及结构设计19-33
  • 2.1 引言19
  • 2.2 电磁作动器相关理论基础19-22
  • 2.2.1 磁感应强度和磁场强度19-20
  • 2.2.2 麦克斯韦方程组20-22
  • 2.2.3 洛伦兹力22
  • 2.3 电磁作动器的隔振原理22-26
  • 2.3.1 电磁作动器的工作原理22-24
  • 2.3.2 电磁作动器的隔振原理24-26
  • 2.4 电磁作动器的结构设计26-28
  • 2.5 电磁作动器力常数的仿真计算与实验测定28-32
  • 2.5.1 电磁作动器力常数的仿真计算28-29
  • 2.5.2 电磁作动器力常数的实验测定29-32
  • 2.6 本章小结32-33
  • 第3章 Stewart隔振平台的动力学建模33-42
  • 3.1 引言33
  • 3.2 Stewart隔振平台的模型33-34
  • 3.3 支腿的运动学分析34-37
  • 3.3.1 雅克比矩阵的求解34-35
  • 3.3.2 球铰的安装角度35-36
  • 3.3.3 支腿质心的加速度36-37
  • 3.4 支腿的动力学分析37-39
  • 3.4.1 支腿的动力学分析37-38
  • 3.4.2 支腿中的驱动力38-39
  • 3.5 上平台的动力学分析39-41
  • 3.5.1 任务空间方程39-41
  • 3.5.2 关节空间方程41
  • 3.6 本章小结41-42
  • 第4章 Stewart隔振平台的各向同性参数优化42-52
  • 4.1 引言42
  • 4.2 解耦结构与动力学各向同性42-43
  • 4.3 基于遗传算法的参数优化43-51
  • 4.3.1 遗传算法简介44-46
  • 4.3.2 优化目标及优化过程46-51
  • 4.4 本章小结51-52
  • 第5章 Stewart隔振平台的振动主动控制研究52-70
  • 5.1 引言52
  • 5.2 H_∞鲁棒控制理论基础52-53
  • 5.3 数值仿真53-63
  • 5.3.1 广义系统的建立53-57
  • 5.3.2 控制器的求解57-58
  • 5.3.4 数值仿真结果58-63
  • 5.4 实验研究63-69
  • 5.4.1 主动控制振动实验的实验原理63-64
  • 5.4.2 主动控制振动实验的实验装置64-67
  • 5.4.3 Stewart隔振平台正弦扫频实验67-69
  • 5.5 本章小结69-70
  • 结论70-72
  • 参考文献72-77
  • 攻读硕士学位期间发表的论文及成果77-79
  • 致谢79-80
  • 个人简历80


本文编号:626088

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