基于电磁作动器的整星主被动一体化隔振技术研究

发布时间：2017-07-26 01:19

  本文关键词：基于电磁作动器的整星主被动一体化隔振技术研究

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【摘要】：航天器在短短几十分钟的发射阶段要承复杂和恶劣的动力学环境,包括作用在航天器表面的火箭整流罩内的噪声载荷和通过星箭连接面传递来的发动机振动和分离装置的爆炸冲击。这些强烈的振动如果不加以有效的抑制,将可能引起局部失稳、承力件断裂或结构破坏;也可能对振动敏感的组件造成指标漂移、工作失效等故障。整星隔振通过研究航天器隔振和阻尼技术对其动力学特性的影响,依据发射阶段的动力学环境制定相应的技术方案从而在不改变航天器结构的前提改善航天器振动环境和动力学特性,有效地提高系统的可靠性,降低发射失败的风险。本文从研究和设计一种电磁作动器出发,分别在单轴、六自由度Stewart隔振平台以及大型柔性航天器整星隔振器等几种典型机构中研究作动器的应用及主被动一体化振动控制方法。本文主要研究了以下几方面内容:首先提出和论述了电磁隔振器的原理、设计与实现问题,作为整篇文章的基础和主线。介绍了电磁作动器设计中所涉及的电磁场基本理论,针对课题所选用的直线音圈式电磁作动器的工作原理进行分析;提出电磁作动器设计应遵循的原则并给出设计方案;通过理论计算及电磁有限元仿真分析对此设计方案进行结构优化及作动性能的初步分析。其次深入研究了单轴电磁隔振系统的原理、特性及基于线性空间描述的控制方法。根据主动隔振的基本原理给出了主动控制系统的两种数学模型,并介绍了系统稳定性的基本判据;介绍了线性控制系统的LQR最优控制律及其基于状态观测器的实现问题;针对电磁作动器样机设计了单自由度主动隔振系统,通过仿真比较了不同参数下LQR最优控制器和带降维状态观测器的最优控制系统的隔振效果;针对电磁隔振器的反电动势带来的输入输出非线性问题提出了电流环PID控制器,使输出电流复现输入信号,从而使作动力与输入信号成线性比例关系;针对由柔性载荷隔振系统简化而来的二自由度隔振系统进行了控制器设计与仿真分析。随后,采用Stewart平台作为隔振机构,研究了刚性卫星的6自由度隔振。采用Newton-Euler法分别分析了隔振平台的运动学与动力学特性,建立任务空间和关节空间下的动力学方程及线性化处理,分析了系统的响应、传递函数等特性;针对Stewart平台多入多出和输出反馈的控制需求以及建模、噪声等不确定性因素的影响,介绍了H∞鲁棒控制律的原理;在前文分析的基础上,对于实际系统中可能存在的噪声、测量误差等不确定性因素,选定合适的加权函数,并求解出相应的H∞控制矩阵,研究Stewart隔振平台的主动隔振效果。接着提出了一种嵌入式整星隔振系统,将电磁作动器应用于其中设计了用于大型柔性航天器的主被动一体化隔振平台。给出了隔振系统的结构设计,分析了增加隔振系统前后固有特性的改变;介绍了多自由度弹性系统的模态空间描述方法和模态力与实际作用力的转换关系,给出了独立模态控制的方法和基本步骤;分别通过模态观测和特征系统实现的思想给出了多自由度系统模态控制的两种系统实现方法,并通过模型降阶使控制系统真正能够在实际工程中实现;基于前文介绍的H?方法,针对隔振系统的数学模型求解了鲁棒控制率并进行仿真分析。最后对基于电磁作动器的几种典型隔振机构进行了隔振平台的实验研究。对单个作动器的单自由度隔振系统进行了扫频和定频实验,以研究电磁作动器的特性并验证作动器的设计;分别针对Stewart隔振平台及主被动一体化隔振平台进行了整星隔振实验,对动力学模型和控制理论做出了验证,并验证了电磁作动器在整星隔振应用中的可行性。
【关键词】：整星隔振 主动隔振 电磁作动器 Stewart隔振平台 H_∞控制 模型降阶
【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】：2015
【分类号】：V441
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-30
• 1.1 课题背景及研究意义14-16
• 1.1.1 课题背景14
• 1.1.2 课题研究的目的和意义14-16
• 1.2 整星隔振技术研究现状16-24
• 1.2.1 国外整星隔振技术研究现状17-22
• 1.2.2 国内整星隔振研究现状22-24
• 1.3 振动主动控制研究现状24-28
• 1.3.1 主动隔振控制律的研究现状24-25
• 1.3.2 隔振器的分类及选择25-28
• 1.4 本文的主要研究内容28-30
• 第2章 电磁作动器隔振原理及设计30-46
• 2.1 引言30
• 2.2 电磁场理论基础30-33
• 2.2.1 磁感应强度、磁场强度与磁化强度30-31
• 2.2.2 麦克斯韦方程组31-32
• 2.2.3 洛伦兹力32-33
• 2.3 电磁隔振器的隔振原理33-37
• 2.3.1 电磁式主动隔振器工作原理简述33-34
• 2.3.2 电磁作动器电—力常数的计算34-35
• 2.3.3 线圈反电动势的影响和利用35-37
• 2.4 电磁式主动隔振器的设计37-40
• 2.4.1 电磁式主动隔振器设计中遵循的原则37-38
• 2.4.2 电磁式主动隔振器的结构设计38-40
• 2.5 电磁式作动器的仿真分析及参数优化40-44
• 2.5.1 电磁式作动器的磁场分析40-42
• 2.5.2 电磁式作动器的改进和优化设计42-44
• 2.6 本章小结44-46
• 第3章 单轴电磁式主被动隔振系统分析46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 振动主动控制问题的数学模型46-51
• 3.2.1 连续系统的传递函数模型46-48
• 3.2.2 反馈系统的稳定性问题48-49
• 3.2.3 连续系统的状态空间描述49-51
• 3.3 单轴电磁隔振系统的状态反馈与观测器设计51-55
• 3.3.1 状态反馈与极点配置51
• 3.3.2 线性二次型最优调节器(LQR)设计51-52
• 3.3.3 主动隔振系统的状态观测器52-55
• 3.4 单自由度主动电磁隔振系统分析55-62
• 3.4.1 单自由度电磁隔振系统模型的建立55-57
• 3.4.2 单自由度隔振系统的控制律设计与仿真57-62
• 3.5 二自由度主动电磁隔振系统分析62-66
• 3.5.1 电磁隔振系统的电流环反馈系统设计62-63
• 3.5.2 二自由度电磁隔振系统模型的建立63-64
• 3.5.3 二自由度电磁隔振系统的控制律设计与仿真64-66
• 3.6 本章小结66-68
• 第4章 基于电磁作动器的刚性卫星Stewart隔振平台68-86
• 4.1 引言68-69
• 4.2 电磁式Stewart平台动力学建模69-74
• 4.2.1 坐标系转换69-70
• 4.2.2 支腿的运动学和动力学分析70-72
• 4.2.3 上平台的动力学分析72-74
• 4.3 H_∞鲁棒控制理论基础74-77
• 4.3.1 函数空间与H2 / H_∞范数74-75
• 4.3.2 不确定性的分析和建模75-76
• 4.3.3 状态空间实现和H_∞标准化问题76-77
• 4.4 电磁式Stewart隔振平台的H_∞控制器设计77-84
• 4.4.1 控制模型的建立77-79
• 4.4.2 加权函数的选取79-81
• 4.4.3 控制系统仿真分析81-84
• 4.5 本章小结84-86
• 第5章 电磁式主被动一体化整星隔振器的设计86-104
• 5.1 引言86
• 5.2 基于电磁作动器的主被动一体化整星隔振器设计86-91
• 5.2.1 整星隔振系统的结构特点86-87
• 5.2.2 整星隔振系统的结构组成87-88
• 5.2.3 系统固有特性分析88-91
• 5.3 隔振器及柔性卫星载荷的模态空间描述91-94
• 5.4 主被动一体化主动隔振的控制系统实现94-100
• 5.4.1 模态观测器94-96
• 5.4.2 特征系统实现算法96-98
• 5.4.3 模型降阶98-100
• 5.5 主被动一体化隔振器的H_∞控制律设计与仿真分析100-103
• 5.5.1 系统模型的识别100-101
• 5.5.2 主被动一体化隔振器的H_∞控制律的仿真分析101-103
• 5.6 本章小结103-104
• 第6章 电磁隔振器的实验研究104-120
• 6.1 引言104
• 6.2 主动隔振控制系统的硬件组成及实验装置104-107
• 6.3 单自由度电磁隔振器的实验研究107-110
• 6.3.1 单自由度隔振系统正弦扫频激励下的隔振实验108-110
• 6.3.2 单自由度隔振系统固定频率正弦激励下的隔振实验110
• 6.4 基于Stewart平台的刚性有效载荷隔振实验110-117
• 6.4.1 Stewart平台刚性卫星正弦扫频激励隔振试验113-116
• 6.4.2 Stewart平台刚性卫星定频激励隔振试验116-117
• 6.5 电磁式主被动一体化整星隔振实验117-119
• 6.6 本章小结119-120
• 结论120-123
• 参考文献123-131
• 攻读博士学位期间发表的论文及成果131-134
• 致谢134-135
• 个人简历135

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