Hexapod多自由度微激励系统的振动时域波形控制

摘要： Hexapod多自由度微激励系统常用于航天器有效载荷在轨微振动环境的模拟，但采用现有控制方法无法精确稳定跟踪低频正弦加速度，这是由于系统耦合度高、非线性在低频段较强，被控对象相位滞后过大造成的.针对此问题，基于传统离线迭代控制方法，提出一种复合超前校正、多倍频陷波滤波器的改进离线迭代控制方法.其中，离线迭代进行补偿控制，超前校正进一步补偿系统相位，多倍频陷波滤波器去除非线性干扰.跟踪低频定频正弦加速度的实验结果表明，对比传统离线迭代控制方法，改进方法收敛快、控制精度高；对比现有自适应正弦振动控制方法，改进方法将符合精度要求的加速度控制频带下限由14.5 Hz扩宽至8 Hz.实验结果验证了所提方法的有效性.     

六自由度Stewart平台动力学模型的特性分析

根据六自由度Stewart平台的动力学模型,利用矩阵分析的方法详细分析和证明了动力学模型的一些物理特性:动力学模型系数矩阵的有界性,矩阵函数的斜对称性以及动力学模型的线性参数化. 这些工作为基于六自由度Stewart平台动力学模型的非线性控制器设计、系统稳定性的证明以及系统物理参数的辨识奠定了理论基础.      

基于观测器的平台无陀螺姿态复合控制

针对超静卫星星体平台无陀螺、载荷敏感器与星体平台执行机构非共基准安装时整星存在姿态异位控制问题,提出了一种基于观测器估计星体平台姿态的复合控制方法。首先,建立星体平台/Stewart平台/载荷的动力学模型,并获得Stewart平台作动器关节空间的等效动力学模型。针对关节空间等效模型,设计super twisting观测器,以作动器平动位移为输入,以载荷和星体平台之间的相对姿态和角速度为输出,实现星体平台姿态和角速度估计。其次,以载荷测量姿态信息为输入,设计Stewart作动器的积分滑模控制律,实现载荷高精度指向控制。以观测器估计的星体平台姿态信息为输入,设计星体平台控制器实现星体平台的稳定控制。Lyapunov稳定性分析表明所设计的观测器和控制器能够保证闭环系统渐近稳定。数学仿真结果表明：在星体平台有陀螺时,载荷能够实现0.1″指向精度;在星体平台无陀螺时,采用观测器估计星体平台姿态并进行控制,载荷亦可实现0.1″指向精度。     

大行程Hexapod平台及其隔振实验

为提高车载、机载光学设备在低频大振幅扰动环境中的观测精度,研制了具有6自由度振动隔离能力的大行程主动隔振平台.平台主动元件采用直线电机,并针对隔振任务设计了无间隙万向节结构.隔振平台采用6-UPS并联机构Hexapod构型,具有30 kg承载能力,上平面可进行±30 mm平动和±8°转动.Hexapod平台控制方法采用PID(Proportion-Integral-Derivative)定位控制和X滤波自适应逆振动控制结合的方法.对Hexapod平台进行3～20 Hz垂直方向正弦振动隔离实验结果显示,平台对基座振动的振幅隔离幅度高于90%,对5～20 Hz频段随机振动隔离实验结果显示,隔振前后上平面振幅峰峰值下降78%.     

基于自适应迭代学习的小行星绕飞容错控制

对于小行星绕飞任务的探测器姿态控制问题,已有方法大都考虑了干扰力矩和参数不确定等因素,而忽视了执行器故障情况。针对执行器故障条件下的小行星探测器姿态控制问题,提出了一种基于自适应迭代学习的容错控制方法。所设计的控制器包括两部分：其一针对执行器故障,设计了自适应迭代学习控制器,采用类滑模的思想和自适应迭代学习算法对控制器参数进行调整,进而补偿执行器故障带来的影响,保证系统在控制输出不足情况下的高精度姿态稳定性;其二针对探测器参量变化、外部环境干扰等不确定情况,设计了基于自适应神经网络的迭代学习控制器,采用径向基函数（RadialBasisFunction,RBF）神经网络对系统非线性部分进行逼近,同时对控制器参数进行自适应迭代学习调整,进而保证系统在不确定情况下的动态性能。数值仿真结果表明该控制器能够有效抑制外部环境干扰和内部参数变化带来的不利影响,在执行器部分失效甚至完全失效故障情况下,仍能保证系统的鲁棒性并实现误差在10^-2数量级内的较高姿态控制精度。     

正交试验法在空间自由漂浮机械臂控制参数寻优中的应用

摘要： 针对空间自由漂浮机器人自适应控制参数的寻优问题,引入正交试验设计方法.综合考虑了各因素对试验结果的影响,通过较少的试验仿真次数即可快速获得较为理想的控制器参数,因此该方法对复杂系统控制器参数寻优具有较为实用的借鉴意义.实例证明,采用L81(340)正交表能较好地完成两自由度自由漂浮空间机械臂的14个控制参数寻优.     

挠性航天器退步自适应姿态机动及主动振动控制

针对带有分布式压电陶瓷执行机构的挠性航天器姿态机动与主动振动控制问题,提出了一种退步直接自适应一体化控制方法.首先,建立了挠性航天器姿态机动与主动振动控制的模型,并分析了动力学子系统的近似严格正实性;然后,采用退步直接自适应控制方法,设计了挠性航天器的姿态机动主动振动控制器,并证明了控制闭环系统的稳定性;最后,进行了不同仿真条件下的数学仿真验证.理论分析与数学仿真结果表明,该控制方法不依赖航天器参数,对系统参数不确定性具有强鲁棒性,能有效抑制挠性附件的振动,对挠性航天器的控制是有效的.     

基于摄动模型的挠性航天器姿态控制系统设计

为了完成挠性航天器高精度姿态控制任务,首先采用摄动法分析了挠性航天器动力学方程,得到相应的0阶和1阶动力学系统.针对0阶非线性时不变系统,同时考虑到转动惯量不确定性和干扰,对已有的非线性直接自适应控制律进行改进,设计PI(Propor-tional-Integral)型参数自适应律,以提高姿态控制精度,同时给出了稳定性证明.针对1阶系统设计PI控制器及PPF(Positive Position Feedback)控制器,以有效抑制挠性结构振动.仿真结果表明,在采用摄动法对动力学方程分析的基础上设计姿态控制系统,可以有效完成挠性航天器高精度姿态控制任务.     

大型分块式空间望远镜主镜合像/振动一体化控制方法

面向在轨组装的分块式空间望远镜主镜高精度合像与稳像调整问题,设计一种音圈电机驱动的六自由度子镜主动调整机构,并考虑星体柔性附件和角动量装置等微振动源影响提出一种分散式力控制方法,完成镜面位姿的高精度控制,实现分块镜合像与振动一体化控制.本文先推导了像差与子镜位姿参数之间的光学灵敏度矩阵形式,以Gram-Schmidt正交化方法得到了正六边形孔径的Zernike像差多项式;建立分块式空间望远镜整星动力学模型,基于音圈电机设计六自由度子镜主动调整机构,并提出涡流传感器阵列的位姿解算方法;提出在轨组装后的分块式空间望远镜控制方案,针对子镜的TTP(tip, tilt, piston)误差与微振动干扰,利用子镜位姿目标量与作动器期望长度的解析式,设计带有前馈补偿和速度反馈的分散式音圈电机控制器用于电机输出力和子镜位姿调整,实现合像与振动控制;仿真验证并计算成像质量评价指标,结果表明提出的控制方法可实现分块式空间望远镜高精度合像与稳像调整,调整速度快、精度高、振动衰减强.     

基于在线频率估计的自适应反馈主动隔振技术

针对自适应前馈控制方法的缺点,提出一种周期性振动主动控制的自适应反馈控制方法.利用误差信号恢复振动干扰信号,采用级联陷波器估计信号中周期性分量的频率,并在估计频率处为控制器构造参考信号;控制器的参数则根据Lyapunov稳定性原理进行调整.仿真和主动隔振试验结果表明:频率估计方法在不同信噪比情况下均具有较好的估计精度;主动控制方法在振动频率处的隔振效果明显,隔振量可达16?dB以上,且控制器的参数收敛速度较快.     

基于模糊强化学习的多柔性梁振动控制仿真

空间机械结构趋向大型化、复杂化、柔性化特点,容易导致残余振动,且残余振动频率低,振动时间长.针对多柔性梁耦合结构残余振动问题,通过有限元法建立了动力学模型,分析了振动特性,呈现密频特性,拍频特征.对于残余振动问题,结合模糊强化学习控制算法,构建模糊规则表,使用ε-贪婪法选择每条规则中的动作,进而生成最终的控制电压,与环...     

超静平台动力学建模与解耦控制

以超静平台在未来高精度航天器主动隔振和精确指向控制中的应用为基础,针对柔性铰形式超静平台的动力学特点以及超静平台基础和载荷扰动作用的影响,建立一般形式的超静平台动力学模型;进一步推导解耦力控制方法,将超静平台由高度耦合的多输入多输出系统变为单输入单输出线性时不变系统,以此消除各支杆之间的相互作用,极大地简化了控制器设计;在此基础上,进行数值仿真分析与验证.仿真结果表明:基于所建立的一般形式超静平台动力学模型,采用解耦力控制方法能够很好地实现超静平台的主动振动控制,并且方法简单易于工程实现.     

考虑传感器倍频干扰的磁轴承自动平衡控制

传感器倍频干扰信号与控制系统相互影响,容易引发磁轴承转子微振动。为了抑制高转速下传感器倍频干扰导致的磁轴承微振动,本文首先建立考虑传感器倍频干扰的磁轴承控制系统模型,分析位移传感器谐波与控制系统微振动的内在机理,然后提出一种基于多频自适应陷波器的磁轴承自动平衡控制方法,消除或抑制轴承的同频或倍频反作用力,使传感器谐波扰动产生的电磁力得到衰减。仿真结果表明,在转速30000(r/min)时,采用该自动平衡控制方法后,与传感器谐波干扰相关的振动力得到一定抑制。     

柔性自适应桁架及其振动最优控制实验

基于dSPACE系统和所研制的锆钛酸铅(PZT)压电作动器,建立了第一阶频率低达5Hz的三棱柱自适应桁架实验平台,通过有限元建模和实验参数修正,利用异位加速度反馈信号进行了线性二次型Gauss(LQG)最优反馈控制实验和仿真.结果表明:对比无控状态,采用最优控制只需很小控制电压,可使桁架在低阶典型频率激励下的振幅降低90%以上;而当桁架受扰动后,振动衰减时间减少超过80%;验证了实验平台配置的合理性和所研制的PZT压电作动器、控制模型的有效性;控制数值仿真与实验在加控前后振幅抑制程度相同,控制仿真与实验中振幅衰减过程的差别通过激振过程仿真与实验的对比得到了阐明.     

含有多级驱动机构卫星的多变量频域稳定性分析方法

摘要： 针对含有多级驱动机构卫星的多级复合控制系统,提出一种多变量频域稳定性分析方法.首先,基于小量假设建立含有多级驱动机构卫星一体化线性模型,针对星体和载荷姿态设计单通道输出线性反馈控制器,采用传递函数矩阵的矩阵分式描述,进行多项式矩阵变换得到多通道闭环系统极点分布规律,确定闭环系统多变量频域输入输出稳定性条件.算例和仿真结果表明,该方法能够验证含有多级驱动机构卫星闭环系统稳定性,并为控制器参数设计提供了有效工具.     

柔性铰接板振动测量及迭代学习主动控制

大型柔性板状结构广泛应用于航空航天领域，这种结构特性极易引起低频振动，针对这一问题以柔性铰接板为研究对象，探究了柔性铰接板在受外部激励作用下弯曲模态的振动特性.为此搭建了一套用于测控柔性铰接板振动特性的实验平台，采用了立体视觉和压电陶瓷传感器分别检测柔性铰接板的振动信息，以此信息作反馈，采用了变遗忘因子的迭代学习控制方法对柔性铰接板的振动进行主动控制，同时以PD控制的实验效果作为对比.实验结果表明，不论是大幅值的快速衰减还是小幅值的残余振动抑制，迭代学习控制效果都优于PD控制.     

一种新颖超磁致伸缩作动器的隔振模型

根据超磁致伸缩材料的本构方程分析了超磁致伸缩作动器输出位移的组成,以此为根据建立了基于超磁致伸缩作动器的单层单自由度隔振平台数学模型.该模型以平台在激振力作用下产生的振动位移为系统干扰输入;根据此模型分析了基于超磁致伸缩作动器的隔振原理;在频域内推导出了系统隔振能力与激振力频率及作动器最大输出位移之间的数学关系,然后在时域内采用自适应LMS(Least Mean Square)算法在Matalb环境下进行仿真.仿真结果与理论分析均表明,隔振平台的隔振能力与激振力频率的平方以及作动器最大输出位移成正比,从而为合理设计隔振平台用超磁致伸缩作动器提供了理论依据.该模型不仅可用于分析基于磁致伸缩作动器的隔振原理,对其它作动器的隔振原理也适用.      

挠性支承对飞轮隔振系统性能的影响分析

飞轮的高速转子在运转过程中会激发微幅多频振动,对航天器的高精度姿态稳定控制产生不利影响.本文基于飞轮隔振系统结构,建立其动力学模型,并通过实验验证该被动隔振装置的固有模态.对增加挠性支承的飞轮隔振系统的数学模型,通过仿真分析隔振装置在挠性支承条件下对飞轮扰动的抑制效果,实验测试了不同挠性支承条件对飞轮隔振系统微振动特性的影响.结果表明,隔振装置在悬臂挠性支承条件下依然具有优异的隔振性能,挠性支承刚度的适当减弱有利于飞轮隔振系统抑制扰动;挠性支承刚度会降低飞轮隔振系统的二阶结构固有振动频率,但基本不影响其涡动特性.