静电力平衡式石英挠性加速度计闭环控制系统的设计与分析

针对一种静电力平衡式石英挠性加速度计,建立其表头系统模型并设计一种静电力平衡式闭环控制系统.建立表头摆片的刚度模型和挠度模型,摆片转动引起的电容间隙变化不均匀影响驱动、检测参数;建立驱动电容的静电力方程并分析了静电力负刚度对表头系统刚度的影响.表头的高真空度导致表头阻尼近似为0,因此在闭环控制系统中引入阻尼补偿环节,避免系统在表头谐振频率处振荡,并且在闭环控制系统中设计积分环节和校正环节来提高系统的快速性和稳定性.仿真分析结果表明:在闭环控制系统中引入阻尼补偿环节后可以有效减小系统振荡,静电力平衡式石英挠性加速度计闭环控制系统带宽为2 380 Hz,阶跃响应的超调量为3%,调节时间为0. 5 ms,当系统静电力负刚度增大时,闭环系统也可以稳定工作.     

基于静电力平衡的石英挠性加速度计

针对航天器自主轨道控制任务对加速度计小量程、高稳定性的应用需求，提出了一种基于静电力平衡的石英挠性加速度计方案.基于整体系统结构分析，建立了表头的结构模型并设计了静电力反馈式的闭环控制系统.通过在控制系统中引入电阻尼补偿环节，避免系统在表头谐振频率处振荡，同时构建基于PID控制的校正网络来提高系统的动态特性.对闭环控制系统进行仿真分析，优化结构参数使其具有较高稳定性.通过实验对加速度计性能指标进行了标定.实验结果表明：研制的静电力平衡式石英挠性加速度计的量程为±0.12 g，零偏稳定性达到1.51 μg.     

石英挠性加速度计阻尼参数闭环检测方法

石英挠性加速度计作为一种高精度惯性测量传感器,被广泛用于航天器姿态控制及惯性导航中。在石英挠性加速度计设计时,摆组件在腔体内的阻尼系数是一项的重要参数。与摆组件的转动惯量及挠性梁刚度等参数不同,阻尼系数与摆片的表面积、摆组件工作间隙、大气压强等多种因素相关。为了获取石英挠性加速度计正常工作状态下阻尼特性参数,研究了一种基于系统闭环频率响应的阻尼系数测量方法。利用水平振动台获取石英挠性加速度计幅频特性曲线,采用最小二乘参数拟合的方法对石英挠性加速度计阻尼特性参数进行辨识。利用辨识得到的阻尼系数进行仿真,并绘制幅频特性曲线与实际采样输出比对,验证了基于系统频率响应的闭环测量方法有效可行。     

基于力矩前馈和舵机角度补偿的力矩控制

针对舵机刚度测试中力矩精确加载问题,设计了基于力矩前馈和舵机角度补偿的高精度、大量程力矩加载控制系统.对系统中力矩电机、力矩电机驱动器和加载弹性杆进行了建模分析.从加载目标、频宽及系统稳定性的角度,分析了弹性杆刚度对力矩加载性能的影响.针对力矩闭环控制系统的持续振荡及相位滞后问题,基于不变性原理引入了力矩前馈及舵机角度补偿的复合控制策略.实验表明该方法能有效抑制力矩的振荡及相位滞后,满足刚度测试对加载力矩的控制精度要求.     

基于力矩前馈和舵机角度补偿的力矩控制

针对舵机刚度测试中力矩精确加载问题,设计了基于力矩前馈和舵机角度补偿的高精度、大量程力矩加载控制系统.对系统中力矩电机、力矩电机驱动器和加载弹性杆进行了建模分析,从加载目标、频宽及系统稳定性的角度,分析了弹性杆刚度对力矩加载性能的影响.针对力矩闭环控制系统的持续振荡及相位滞后问题,基于不变性原理引入了力矩前馈及舵机角度补偿的复合控制策略.实验表明该方法能有效抑制力矩的振荡及相位滞后,满足刚度测试对加载力矩的控制精度要求.     

百英挠性加速度计时域动态建模及补偿技术的研究

介绍了用电激励测主式方法测主式石英挠性加速度计时的电路，并从时域角度建立了加速度传感器的动态模型，在此基础上对加热速度计动态特性做了补偿。     

石英挠性加速度计时域动态建模及补偿技术的研究

介绍了用电激励测试方法测试石英挠性加速度计时的电路，并从时域角度建立了加速度传感器的动态模型，在此基础上对加速度计动态特性做了补偿。     

环路参数对数字闭环加速度计动态特性影响

数字闭环石英挠性加速度计在纯积分控制器下带宽仅有10 Hz左右,需要通过调整伺服电路结构参数来改善系统动态性能.针对这一问题,且为保证系统的无差性,设计了位置式比例积分控制器.建立闭环系统数学模型,利用隐函数求解的方法,得到了环路参数（包括采样点数、比例系数及积分系数）与系统闭环带宽的关系,同时分析了环路参数对系统稳定性及静态精度的影响.搭建系统实验样机并进行闭环带宽及零偏稳定性测试.结果表明,闭环系统带宽与环路参数成正相关关系,其中改变比例系数对系统动态特性的影响最为显著.实验结果与理论分析一致,为数字闭环加速度计动态特性调整提供理论依据及实验指导.      

电容式微加速度计闭环检测电路

针对硅微惯性器件中的微小差分电容检测,提出了一种应用于三明治结构差分电容式微机械加速度计的闭环检测电路.通过等电势屏蔽法,相干解调技术和增加激励信号对称性等技术屏蔽杂散电容,抑制了电路噪声和共模误差,提高了检测电路的微弱信号辨识能力;静电力平衡闭环检测克服了开环输出信号的非线性缺陷,实现了高线性度、高分辨率的电容检测.设计的闭环检测电路具有电路简单、线性度好、抗干扰性强和易于集成的特点.实验结果表明,加速度计量程可达±15g,电容分辨率可达10^-16F.     

太阳帆板驱动机构微振动建模及摩擦补偿研究

从太阳帆板驱动机构（SADA）微振动产生机理出发,考虑电机谐波力矩和导电环摩擦力矩对电机输出力矩的影响,建立以永磁同步电机（PMSM）为驱动源的闭环SADA模型及其与挠性负载耦合的动力学方程.通过拟合电机低速运行时导电环摩擦力矩随转速的变化曲线,利用非线性最小二乘法辨识摩擦模型静态参数,并在电机闭环反馈调节机制中引入摩擦补偿环节.通过对比和分析摩擦补偿前后电机控制量以及帆板转速输出的变化,仿真结果表明摩擦补偿在一定程度上消除了摩擦对SADA低速运行性能的影响,为降低SADA对超静卫星平台和高性能载荷的影响以及展开对其微振动优化和抑制提供依据.     

串联半物理仿真机构的刚度辨识与时滞误差补偿

空间操作半物理仿真系统是在地面模拟太空环境验证空间技术有效性的常用方法之一，但是系统内存在不可避免的时间滞后会出现结果失真和能量发散的现象.针对串联半物理仿真机构系统失真问题，从力测量系统滞后和控制系统的动态响应延迟两个方面出发，建立了空间碰撞的动力学模型和基于刚度辨识的力补偿模型，提出了基于测量力方向投影辨识碰撞方向和接触刚度的补偿算法，将对测量力的补偿转化为串联半物理仿真机构的位置控制补偿.串联半物理仿真机构的单自由度碰撞进行数字仿真，验证了该力补偿方法的可行性，提高了半物理仿真的复现精度.该方法从力产生的原因出发建立补偿模型，为深入研究空间操作半物理仿真系统失真问题提供了一种新的思路.     

控制力矩陀螺框架谐波减速驱动系统建模与仿真

摘要： 控制力矩陀螺是航天器姿态控制系统的重要执行机构,它具有输出力矩大、速度响应快、功率消耗低、寿命长等优点,可以完成高速率的姿态机动控制.综合考虑谐波减速器的齿隙模型、非线性刚度、减速器效率等因素,对CMG框架驱动组件用谐波减速器进行精细建模.针对低速下谐波减速器的刚度较低、传动误差较大这一缺陷,建立考虑传动误差的减速器模型;与传统的不考虑传动误差的模型相比可更准确地描述谐波减速器在低速下的输出速度曲线.根据建立的CMG框架驱动系统模型,在低速下采用PID闭环控制对输出转速误差进行抑制,使输出转速误差降低了50%以上.最后分析其对谐波减速器刚度和阻尼对框架系统性能的影响.     

一种正负刚度并联低频隔振器的刚度和动力学特性分析

随着航空航天领域机械结构的大型化、柔性化发展,减振隔振愈发重要。设计了一种具有非线性刚度和非线性阻尼的正负刚度并联的低频隔振器,其负刚度特性和正刚度特性分别由两组倾斜弹簧和一根竖直弹簧实现;研究了隔振器的高静刚度低动刚度特性和阻尼特性,并对其隔振带宽进行分析,比较了分别由两组斜弹簧和一组斜弹簧实现负刚度的两种隔振器的刚度特性;利用谐波平衡法求解隔振器动力学响应,推导了隔振器振幅放大系数和振动传递率的表达式;通过数值仿真对比验证了谐波平衡法求解的系统响应的正确性,详细研究了所设计的正负刚度并联隔振器的刚度,阻尼及激励幅值等因素对振幅放大系数和振动传递率的影响     

基于有限元素法的挤压油膜动力特性研究

挤压油膜阻尼器(SFD,Squeeze Film Dumpers)因减振效果显著,目前广泛应用于航空发动机等高速旋转机械中.在基于雷诺方程的短轴承近似解或长轴承近似解基础上,提出了求解带挤压油膜阻尼器的转子支承系统稳态动力特性的有限元挤压油膜计算方法,该方法能有效地模拟转子系统在各种工作条件下的油膜力模型.为了验证上述理论分析结果,用有限元法计算了带挤压油膜阻尼器转子系统的油膜压力分布和油膜阻尼,分析中还考虑了油膜惯性力的影响.通过对某发动机转子支承系统的模拟计算,并与试验结果进行对比分析,证明给出的系统动力特性计算方法及性能分析结果可用于工程实际.      

空间薄膜结构刚柔耦合非线性动力学分析

空间薄膜结构经历大范围刚体运动时,刚柔高度耦合的非线性动态响应极易发生,这将会降低结构几何精度,甚至影响设备正常工作.针对平面张拉式空间薄膜天线,建立了大范围运动的空间薄膜天线刚柔耦合非线性动力学有限元模型,描述了二阶效应与刚柔耦合效应对结构刚度特性、阻尼特性以及载荷的作用.通过对模型的数值解算,讨论了刚体运动规律(初...     

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.     

反转轴间气膜密封动特性分析

用有限元法计算了双端面期末密封两端面的气膜刚度和阻尼,分析了密封跑道质量和主密封环质量对气膜刚度和阻尼的影响,并对瞬态扰动力作用下前密封跑道和主密封环的振动过程进行了讨论.结果表明:膜厚对气膜刚度和阻尼影响较大,在膜厚小于5μm下尤为明显;系统的自由振动频率主要由前密封跑道质量决定,主密封环质量对自由振动频率影响较小;同一密封跑道质量对应的不同环道质量比对系统振动的收敛时间影响不大.     

空间望远镜用黏滞液体阻尼隔振器研究

为抑制卫星平台对天基望远镜的扰动, 需进行减振设计. 设计了一种空间望远镜用黏滞液体阻尼隔振器, 具有密封可靠、空间环境适应性好等特点. 根据流固耦合相关理论建立阻尼参数模型, 在此基础上实现了隔振器结构设计, 并对核心元件弹簧片进行参数优化设计, 加工制作出一套原理样机. 对该样机的刚度和阻尼性能进行了仿真分析和实验测试. 结果表明, 该隔振器的刚度特性和阻尼特性理论分析结果均与实验结果吻合较好, 说明模型较为准确, 具有工程设计指导价值.      

纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力

针对目前软体机器人缺乏变形和接触力方面理论研究的问题，以软体夹持器为研究对象，开展了纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力的研究。首先设计了气动软体夹持器，该夹持器由纤维增强型单向弯曲驱动器、接触气囊以及单元的连接装置组成；其次基于Yeoh模型、Neo-Hookean模型分别建立了弯曲驱动器驱动压强与弯曲变形圆心角的非线性数学模型和弯曲驱动器末端接触力理论模型；然后开展了软体夹持器变形和末端接触力的仿真及实验，结果证明了理论模型的正确性；最后进行了纤维增强结构对软体夹持器变形和末端接触力影响的研究，实验结果表明:纤维增强结构能大幅度提高软体夹持器的变形和末端接触力。上述研究为其他纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力的研究提供了理论基础。