空间望远镜分布式压电振动抑制技术研究

发布时间：2017-08-07 23:02

  本文关键词：空间望远镜分布式压电振动抑制技术研究

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【摘要】：随着人类加快对太空的探索研究步伐,对空间望远镜稳像精度要求也变得越来越高。由于太空环境中存在诸多复杂的因素,空间望远镜要实现高精度稳像是非常困难的。这些影响因素中,振动对稳像精度的影响尤为突出。为了提高稳像精度,有必要对空间望远镜进行减振。对于空间望远镜减振,国外已发射的Hubble望远镜以及即将发射的JWST空间望远镜主要以隔振为主。但是由于被动隔振器隔振性能有限,对低频振动无能为力。因而为了进一步提高稳像精度,有必要考虑主动减振技术。并且NASA规划的下一代空间望远镜ATLAS T也采用了主动减振技术。对此,本文针对空间望远镜支撑架,对其进行分布式压电主动控制技术研究。 首先文中设计空间望远镜支撑架样机基本结构,给出节点和单元标号。根据有限元相关知识,分析得出整体刚度矩阵、质量矩阵以及力矢量。为了消除刚度矩阵的奇异性,需要添加边界约束条件。为了降低系统维数,采用模态截断法建立模态动力学方程,为仿真分析奠定基础。 研究了空间望远镜支撑架在脉冲激励、阶跃激励以及简谐激励下的时域响应特性,推导出时域响应表达式和频响函数表达式。同时在MATLAB中编写程序实现支撑架的时域响应和频域响应,并利用形函数可得到两节点间任意位置的位移。最后,利用模态应变能和最大振幅思想来优化得出表贴压电片的位置。 为了得到一个简单准确的模型,根据空间望远镜支撑架动力学方程,推导给出了支撑架的特征模型表达式。由于特征参数的重要性,继而研究给出了特征参数的特点,为在特征参数辨识时确定特征参数初值提供依据。本文在先后研究了常见的几种参数辨识方法后,选择改进的多信息滤波增广随机梯度法进行特征参数辨识。仿真结果验证了特征模型的准确性以及多信息滤波增广随机梯度法的有效性。 在特征模型基础上,设计出结构简单、跟踪性能好以及鲁棒性强的控制器就显得非常重要。首先设计了基于特征模型的智能自适应控制器,并且为了降低调参复杂度,利用广义最小方差原理对控制器参数进行了优化。其次,考虑到空间环境中存在不确定干扰,因而有必要设计研究基于特征模型的滑模自适应控制器。文中从滑模趋近律角度设计了两种滑模控制器,且利用韩式函数替代了符号函数,进一步削弱滑模抖振。控制仿真说明了三种控制器的有效性,对比亦可说明其调参难度以及鲁棒性强弱。 最后,基于空间支撑架实验平台做分布式压电振动控制实验。实验结果表明对于刚度较大的空间支撑架,压电片仍然具有较好的减振效果。因而可在与望远镜敏感器件相连的区域表贴一定数量的压电片,实现局部区域减振,从而提高空间望远镜探测精度。
【关键词】：空间望远镜 主动减振 压电片 模态应变能 特征模型 参数辨识 智能控制 滑模控制
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH751;TB535
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 表格11-12
• 插图12-16
• 第1章 引言16-22
• 1.1 研究背景16-17
• 1.2 国内外空间支撑架振动主动控制研究现状17-19
• 1.2.1 空间支撑架动力学建模研究现状17-18
• 1.2.2 振动主动控制中作动器以及传感器发展现状18-19
• 1.2.3 振动主动控制中作动器以及传感器位置优化研究现状19
• 1.2.4 振动主动控制策略研究现状19
• 1.3 论文主要内容19-22
• 第2章 动力学建模22-34
• 2.1 空间望远镜支撑架22-23
• 2.2 空间望远镜支撑架动力学建模23-32
• 2.2.1 三维梁单元建模23-27
• 2.2.2 压电梁单元建模27-30
• 2.2.3 空间刚架建模30-32
• 2.3 本章小结32-34
• 第3章 振动特性分析以及压电片位置优化34-50
• 3.1 支撑架的动力学响应34-36
• 3.2 支撑架频响分析36-37
• 3.3 支撑架振动特性分析37-44
• 3.4 压电片位置优化44-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第4章 特征建模及特征参数辨识50-64
• 4.1 空间望远镜支撑架特征建模50-53
• 4.2 特征参数特点及其辨识方法研究53-58
• 4.2.1 特征参数特点54-55
• 4.2.2 特征参数辨识55-58
• 4.3 特征模型验证58-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第5章 基于特征模型的控制器设计64-86
• 5.1 基于特征模型的黄金分割自适应控制器设计64-69
• 5.2 基于特征模型的滑模控制器设计69-76
• 5.3 望远镜支撑架仿真算例76-84
• 5.3.1 激励下支撑架控制性能仿真76-82
• 5.3.2 带扰动激励下支撑架控制性能仿真82-84
• 5.4 本章小结84-86
• 第6章 压电减振实验86-96
• 6.1 实验平台及设备介绍86-87
• 6.2 空间刚架激励响应87-88
• 6.3 空间刚架分布式压电减振实验88-94
• 6.3.1 PZT3和PZT4同位配置88-92
• 6.3.2 PZT1和PZT2、PZT3和PZT4、PZT7和PZT8同位配置92-94
• 6.4 本章小结94-96
• 第7章 总结与展望96-98
• 7.1 论文主要工作和贡献96-97
• 7.2 前景展望97-98
• 参考文献98-102
• 致谢102-104
• 攻读硕士学位期间的学术活动及研究成果104

【参考文献】

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本文编号：637104