压电作动器迟滞特性及六自由度主动隔振平台控制研究

发布时间：2020-03-22 02:25

【摘要】：当代科技的发展使得航天器所携带的高精密观测设备分辨率逐渐升高,对使用环境的稳定性提出了更高的要求,但是航天器在轨运行过程中,控制力矩陀螺、反作用轮和动量轮等动力设备在工作时产生的微振动严重破坏了高精密设备所需的稳态环境,导致成像质量和观测性能下降,成为限制其应用的主要因素。为了充分发挥精密设备的性能,对其进行隔振是最为直接的技术手段。因此,本文以航天器精密观测设备多自由度微振动隔振为研究背景,进行了基于压电作动器的六自由度微振动隔振问题的深入研究。压电作动器是一种在振动主动控制中常用的作动器,然而由于材料的固有迟滞特性,导致作动器的输入电压和输出位移之间存在复杂的多值映射关系,严重降低其在振动控制系统中的性能。针对这一现象,本文基于神经模糊自适应推理系统建立了描述作动器迟滞特性的数学模型,通过与实验测试数据对比验证了模型的输出精度。提出了作动器的迟滞特性补偿控制方法,通过仿真进行了迟滞补偿控制的有效性验证,实现了对具有迟滞特性的作动器的输出位移精确控制,为其在振动控制中的有效应用奠定基础。为了实现基于压电作动器的隔振目标,研究将压电作动器近似为线性元件对隔振系统的影响,针对性的进行了理论分析和仿真、实验研究。建立了基于压电作动器的单输入单输出隔振系统,推导出以作动器迟滞位移为控制输入的隔振系统动力模型,采用线性二次型高斯/回路传递函数恢复方法设计了振动控制器,结合作动器迟滞补偿控制,进行了作动器迟滞补偿控制对隔振系统性能提升的仿真和实验研究。结果表明,所建立的隔振系统能够有效降低被控对象的振动,主动控制算法可实现5 Hz~200 Hz频段内隔振性能提升,迟滞补偿能够有效提升隔振系统的隔振能力,并降低系统的能量损耗。针对具有大质量、大尺寸和隔振系统安装空间有限的精密设备的多自由度隔振问题,提出了基于压电作动器的六自由度隔振平台,建立了有效的隔振单元结构,实现了承载质量大、安装空间小的设计目标,完成了观测设备模拟件隔振平台结构设计和可靠性验证。针对支腿转动惯量、连接副摩擦和作动器迟滞特性对平台动力学特性的影响,基于牛顿欧拉方法和作动器迟滞运动方程,建立了隔振平台完整动力学模型,并建立以作动器迟滞和基础激励为输入,负载平台运动变量为输出的系统状态方程,仿真结果与文献所示结果高度吻合,验证了模型的正确性,为后续隔振平台控制系统研究做准备。针对六自由度隔振平台各自由度的耦合特性及多输入多输出控制系统的输出回路时滞问题,基于对平台构型的参数化分析,建立了具有普遍适用性的一类六支腿平台的解耦方法,并结合时滞最优控制算法,实现了对平台的解耦控制。通过仿真分析了六自由度隔振平台在不同激励信号、不同作用方向、不同控制策略情况下负载平台的动力学响应,验证了解耦控制算法的有效性,说明了在多输入多输出的复杂动力学系统的振动控制策略中引入时滞变量影响的有效性和必要性。最后,为了验证理论分析的正确性和隔振平台的实际隔振能力,进行了在不施加控制和不同控制策略作用下的隔振平台隔振性能验证实验。根据前期设计,完成了隔振平台的机械系统样机、测控系统的建立及调试,在纵向激励情况下,完成平台隔振性能测试。实验结果表明,基于平台解耦算法和时滞最优控制能够在20 Hz~200 Hz范围内进行有效隔振,证明了在复杂多输入多输出系统的控制系统设计中,考虑时滞影响并对控制系统修正的必要性。验证了本文基于压电作动器迟滞特性及六自由度主动隔振平台研究结论的正确性,为压电作动的六自由度隔振平台应用于航天器精密观测设备多自由度微振动隔振提供理论研究支撑和实践基础。
【图文】：

出系统容许范围的激振源采取有效的隔振措施以保证设备的高效运行，国外大多采用被动隔振技术[17-19]。然而卫星在轨运行时，振源所产生的扰动频带，如图 1-1 所示，此时传统的被动隔振在承载刚度限制的前提下，对低频敏荷的隔振效果不能满足要求[20, 21]。同时，敏感设备受到来自飞行器所携带扰的多方向扰动，因此需要进行具备多自由度隔振能力的隔振系统的研究。

图 1-2采用立方构型 Stewart 平台设计的主动隔振装置Fig.1-2 Active vibration isolation devices with cubic Stewart platform图1-2(b)是由Hood Technology公司和华盛顿大学合作制造的“立方”Stewart六杆主动隔振平台[122]。与JPL的隔振平台相比，HT/UW平台采用的音圈电机作动器行程可达前者的20倍，对该平台进行适当优化，将音圈电机基础永磁体直接安装于基座，使柔性铰链串联于执行器一端，移除内部重力补偿弹簧，降低了系统刚度，同时降低系统的固有频率至3 Hz，并通过多种传感器如感应线圈、测振器、压电传感器等提供反馈，功能更加完善，可以完成主动隔振的同时具有进行姿态调整和精确定位的功能。但永磁体同线圈间空隙的增大，，降低了作动器的性能。以上两种隔振平台的设计
【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】：V448

【参考文献】

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本文编号：2594322