压电层合薄膜反射镜面型主动控制研究

发布时间：2020-04-08 19:33

【摘要】：薄膜反射镜由于其面密度低、易于折叠展开且成本低等优点,能够有效解决高分辨率空间使用需求和发射承载质量、空间限制的矛盾,在未来深空探测、空间通信和对地观测中具有巨大的应用前景。自上世纪六十年代,以美国为代表的国外研究机构已经对空间薄膜反射镜开展了大量的研究工作并取得了突出成果。近十年来,国内以中科院长光所和苏州大学为代表的研究机构取得了一些薄膜反射镜研究进展,但多着眼于静电拉伸薄膜反射镜的成型控制机理和检测试验研究。目前,对于薄膜反射镜在轨工作时的振动和面型控制研究尚处于空白。同时,随着智能结构技术的迅速发展,形状记忆材料、压电材料、光电材料等新型智能材料已经被广泛用作传感器和作动器。将上述智能材料与空间结构相结合(层合于结构表面或嵌入其内部)以实现对结构的主动控制,目前已成为航天领域的重要研究方向之一。因此,本文考虑以智能结构系统的设计思想,将薄膜反射镜与智能材料相结合,实现其在空间工作过程中的动、静态主动面型控制。从热-力-电场耦合作用下一般层合压电薄壳本构关系入手,基于Love-Kirchhoff薄壳假设和一阶剪切变形理论分析了压电层合薄壳单元的力学模型,讨论了热-力-电能场转换及耦合作用关系,推导压电层合薄壳单元的合成力和力矩基本表达式;基于Hamilton原理和薄壳理论基本假设推导出具有一般性的压电层合薄壳非线性系统动力学方程;通过代入薄膜反射镜拉梅系数和曲率半径,分别建立了压电层合薄膜反射镜动力学模型和单层压电薄膜反射镜动力学模型;在轴对称热载荷下进行了数值求解,并与有限元分析结果进行对比,验证了模型的正确性。对薄膜反射镜振动特性开展研究,建立其线性动力学模型,推导固定边界条件下不同阶次模态的频率系数和横向模态振型函数;以线性动力学模型为基础,基于Galerkin法推导薄膜反射镜非线性动力学模型,并对模型进行轴对称及非轴对称模态求解;通过与参考文献中相关结论的对比,验证模型的通用性及正确性。开展薄膜反射镜分布式压电传感和作动信号特性研究。由薄膜反射镜结构系统方程,推导层合压电传感单元微观传感信号和压电作动单元微观模态控制力表达式;数值仿真分析了模态阶次、空间分布和张紧力对压电微传感信号和作动器微控制行为的影响,为薄膜反射镜智能结构系统传感器和作动器的布局设计提供参考。将分布式压电传感器和作动器贴片对称同位地布置在薄膜反射镜上、下表面最优布局位置,采用线性二次型最优控制算法设计控制器,建立压电层合薄膜反射镜控制系统,给出最优控制理论下的系统状态空间方程;进行薄膜反射镜前四阶模态主动控制效果仿真计算,分析模态阶次和薄膜张紧力对控制效果的影响,并对控制器设计参数的作用效果进行评估。搭建薄膜反射镜面型主动控制实验平台,分别进行薄膜反射镜面型静态和振动控制实验。提出基于影响函数矩阵的薄膜反射镜面型控制方法,参数辨识薄膜反射镜面型影响函数矩阵,进行面型闭环动态追踪实验和热变形自适应控制实验,证实了该控制策略能迅速且有效的控制反射镜面型并消除外界热扰动引起的面型误差;通过参数辨识得到薄膜反射镜系统二阶模型,基于正位置反馈法设计独立模态控制器,针对薄膜反射镜前两阶模态分别进行振动主动控制实验,验证了控制策略能够实现对薄膜反射镜振动的有效抑制。
【图文】：

分析薄膜反射镜非线性动力学特性，探究压电层合薄膜和作动特性，通过数值仿真和系统试验相结合实现对薄膜反射状调节和动态响应控制。本研究将全面推动薄膜反射镜在轨自展，为智能结构技术在轻型星载大型光学系统中的广泛应用、性能指标和智能化水平奠定理论基础和技术储备。外研究现状反射镜技术发展概述射镜技术的发展可以追溯至十九世纪六十年代，美国航空航天径空间望远镜计划，旨在设计和制造面型可精密调节的大口径，用以提升对地观测范围和精度，，推动空间通讯和深空探测技俄罗斯、加拿大、韩国、日本等国的研究机构也纷纷开展研究射镜技术研究的热潮。空间反射镜的发展历程可以大致归纳为 1-1 所示。大口径需求 高质量成像 充气式

图 1-2 Echo 1 气球卫星[2]Fig.1-2 Echo 1 inflatable satallite[2]空航天局成功发射了人类第一个超过“Echo 1”气球卫星，如图 1-2 所示铝涂层，直径 31m，重 62kg，用于进发射了第二颗直径为 41m 的“Echo 2化方式进行成型，作为通讯卫星在轨长时间使用并维持表面面型[3]。1971，9m 和 14m 的充气型天线。1996 年飞行试验[4]，其在轨展开过程如图 1（①→②），三个充气支撑柱和薄膜反柱和支撑环通过储藏箱内的充气系统全充气后，薄膜反射镜在气压和绳索当天线完全展开后，三个支撑柱的长经过测量，在中心 4m 半径区域内 RM.K.Maji 等人进行了充气式压电驱动薄
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TH74

【参考文献】

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4 张鹏;张元;金光;钟兴;张雷;姚劲松;;应用条纹投影法测量薄膜反射镜的成形[J];光学精密工程;2011年06期

5 钟兴;金光;张鹏;张元;;多电极静电拉伸薄膜反射镜的光学检测[J];应用光学;2011年02期

6 王二成;赵亚军;马晓雨;;压电智能悬臂梁结构振动主动控制仿真[J];机械设计与制造;2011年02期

7 钱锋;王建国;;压电智能结构振动控制的数值模拟[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2010年01期

8 陆丽娟;张庚生;唐敏学;;均匀载荷作用下膜基反射镜面形分析和研究[J];苏州大学学报(自然科学版);2009年04期

9 张利;谢毅;计时鸣;袁巧玲;;压电智能结构的柔性梁振动主动控制系统仿真[J];机电工程;2009年09期

10 安源;金光;齐迎春;孙小伟;蒋宁;艾晨光;;薄膜反射镜的单电极控制静电成形[J];光学精密工程;2009年08期

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4 丁根芳;层合压电智能结构的数值模拟和振动控制研究[D];合肥工业大学;2008年

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3 陆一凡;基于边界作动的薄膜反射镜热变形误差消除方法研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

本文编号：2619747