空间精密跟瞄Hexapod平台作动器研制与实验

针对基于并联机构的空间精密跟瞄Hexapod平台的大行程、高性能要求,通过对现有主动元件的分析,从作动器角度研制了以滚珠丝杠作动器为宏动部分、压电作动器为微动部分的大行程高频响精密复合作动器,测试了复合作动器的行程、开环定位精度及动态特性,以dSPACE半物理仿真系统为核心建立了实验系统,进行了复合作动器单自由度精确定位实验和振动主动控制实验.由结果可知,复合作动器作动行程超过50mm、经微动部分补偿后的整体定位误差小于1μm、正弦持续扰动下采用自适应滤波ADC(Active Disturbance Canceller)方法使振幅下降90%以上.结果表明,将此复合作动器应用于空间高稳定精密跟瞄Hexapod平台是完全可行的.      

基于有限元法的主动隔振单元建模分析

针对大载荷对象低频微振动主动振动控制平台的设计问题,提出一种基于模块拼装思想的主被动混合隔振平台结构方案,模块化设计大大简化了主动振动控制平台的设计难度,使得拼装后的平台具有承载能力强、精度高等优点,由于所用模块单元结构形式完全相同,组合后的主动隔振平台的特性完全取决于单元的特性;以主动隔振单元为研究对象运用有限元法建立其动力学模型,模型中包含以位移向量形式表示的外界激振项和以力向量形式表示的主动控制项,当上述两项为零时,可以通过求解动力学模型得到主动隔振单元的固有特性;利用ANSYS商用软件进行主动隔振单元的模态分析,对比结果验证了该动力学模型的正确性.     

高稳定精密跟瞄机构设计与仿真

为实现高精度的空间跟踪瞄准任务,基于宏微动作动器设计了具有振动控制能力的高稳定精密跟瞄机构.跟瞄机构采用6-SPS并联机构构型,可在较大的工作空间内实现高精度指向.结合宏微动作动器的特点设计了具有指向控制、振动抑制和振动隔离能力的跟瞄机构控制系统,振动隔离采用前馈控制,指向和振动抑制部分采用PID控制.利用ADAMS软件进行了频响分析及时域动力学仿真,结果显示跟瞄机构具有较高的指向精度和较好的振动控制能力,可实现扰动环境中的大范围高精度跟瞄功能.      

超静空间科学卫星分离式主动隔振技术

针对量子科学实验、时频传递实验等项目研发的先进载荷对微振动频谱积分的特殊指标需求,研究一种分离式主动隔振技术。分离式隔振技术将卫星划分为载荷模块和服务模块,考虑两模块之间柔性连接线缆和限位弹簧,首先建立两模块的动力学模型。随后,设计基于加速度反馈的六自由度隔振控制器,考虑执行机构控制和驱动电路的电气噪音,在时域和频域仿真分析载荷模块对服务模块的振动隔离性能。仿真结果表明,主动隔振后载荷模块三轴加速度功率谱密度在05~200Hz内积分值小于2 μgn。最后,分析主动隔振控制器参数对载荷模块加速度功率谱积分指标的影响。分离式主动隔振可为我国超静科学卫星的振动隔离提供一种技术途径。     

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.     

基于LPV的主动隔振平台单支腿鲁棒控制器设计

利用控制力矩陀螺(CMG)实现敏捷姿态机动控制时，保证机动过程控制输出力矩快速响应的同时，还需要保证机动到位后有效隔离CMG的机械振动以实现高稳定度姿态控制。针对控制CMG主动隔振平台，将控制CMG外框角速度作为变参数，提出单支腿主动隔振平台控制器的一种基于线性变参数（LPV）控制设计实现方法，通过与其他主动隔振控制方法性能比较分析，所提方法在兼顾敏捷姿态机动期间和机动到位后对主动隔振平台不同的力学传递要求方面有更好的性能。     

超静敏捷卫星隔振与控制的动力学耦合及协同设计方法

高性能的卫星平台需要同时具备敏捷与超静性能,为此一方面要采用大力矩执行机构与高带宽控制,另一方面要采取良好的振动隔离措施,而这两者之间会形成一定的动力学耦合,影响控制性能的最终实现.研究了对含高速转子的执行机构进行隔振引入的陀螺进动问题及其对敏捷控制性能的影响,分析了有效载荷隔振导致的异位控制问题及其对控制稳定性的影响.研究了隔振与控制参数的协同设计方法,提出了基于进动衰减时间的执行机构隔振参数选取原则,以及阻尼常数隔离的有效载荷隔振参数选取原则.基于该设计思路可以实现卫星隔振与控制参数的合理匹配,同时达到较好的超静与敏捷性能.     

飞轮扰振特性及振动控制方法

航天器高精度稳定平台要求飞轮在工作转速范围内的干扰力尽可能低,因此需要对飞轮本身固有的扰振力进行有效抑制,一般对机械飞轮采用被动振动隔离方法,而对磁悬浮飞轮采用主动振动控制方法.分别介绍机械飞轮和磁悬浮飞轮的微振动特性,分析其扰振产生的原因,阐述振动隔离以及振动控制原理,并通过测试系统对现阶段振动抑制效果进行了说明.     

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.     

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.     

星上控制力矩陀螺群隔振平台的动力学特性

为能够给星上有效载荷提供一种超静环境,提出一种星上控制力矩陀螺群(CMGs,Control Moment Gyroscopes)的隔振方案,并对所使用的隔振平台的动力学特性进行研究分析.首先介绍了不同参数模型的隔振元件工作原理和参数特性;其次利用牛顿-欧拉法对含有隔振平台和CMGs的卫星进行动力学建模;最后通过频域和时域的方法分析并对比了各个参数模型下的隔振平台力衰减特性以及对星体姿态稳定度的改善程度.结果表明:两参数加调谐质量阻尼器模型下的隔振平台对共振峰值有一定的衰减作用,三参数模型下的隔振平台在力衰减和对姿态稳定度的改善程度上要明显优于其他2种模型.     

分布式液压流体脉动主动控制方法

针对飞机液压能源管路系统中的周期性流体脉动诱发流固耦合振动,导致管路疲劳损伤的问题,针对管路中存在压力驻波特性,在采用单点消振时寻找误差传感器最佳布局位置困难而引起脉动抑制效果不理想的缺点,提出了一种分布式流体脉动主动控制方法,即沿管路不同位置布置多个主动消振阀和误差压力传感器,在任意飞行阶段,避开压力驻波点,以误差压力传感器的脉动测量值为控制目标,采用一种针对周期脉动主动控制的自适应前馈控制法和多通道自适应滤波-X LMS(Least Mean Square)算法,调整控制器参数,使主动消振器产生的次级脉动与管路中的初始脉动相互抵消,达到整个管路中的平均流体脉动最小的效果.为了验证分布式主动控制方法的有效性,设计了主动控制平台.实验结果表明,所提出的分布式流体脉动主动控制原理和方法能对流体脉动进行很好的抑制,消振量达10 dB以上.      

空间科学实验柜被动式减振系统研究

载人航天二期我国将发展短期有人照料的空间实验室,将开展一系列空间科学实验.国际空间站和我国神舟飞船实际微重力水平测量结果表明,需采取必要的减振措施才能满足特殊科学实验要求,鉴于此对空间科学实验柜被动式减振系统进行了研究和设计.根据空间科学实验柜在载人航天器内的实际安放状态,对其进行了减振布局.将实验柜本身作为刚体,建立6自由度的减振系统动力学模型,然后在ADAMS中建立了空间科学实验柜及减振系统三维实体模型,对减振系统进行仿真,得出系统时域、频域及随机输入下的响应特性.对减振系统参数进行优化,提高了系统的减振效果.      

飞轮隔振平台组合系统的动力学建模

为分析隔振平台对星上飞轮扰动的衰减效果,研究了飞轮隔振平台组合系统的动力学建模问题.首先推导出含有静动不平衡量的飞轮加隔振平台组合系统的动力学模型.从模型中得出,飞轮和平台之间存在耦合;转子的静动不平衡会体现为飞轮的多项扰动力和扰动力矩.其次,对这些扰动项进行量级分析,并据此简化系统方程.最后利用数值仿真将简化模型与之前的完整模型作对比,验证了此简化模型的合理性;并通过初步的整星系统仿真,说明了隔振系统对航天器姿态稳定度的改善效果.     

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.      

六自由度压电隔振平台面向控制的模态分析与动力学建模

六自由度压电隔振平台各通道之间存在的强耦合性以及压电作动器固有的迟滞非线性都对系统动力学建模提出了挑战。为此,基于模态分析技术对六自由度压电隔振平台开展面向控制的非线性动力学建模研究。在充分考虑压电作动器的迟滞非线性后,采用模态坐标变换方法建立了隔振平台Hammerstein非线性动力学模型,包含了输入端的静态迟滞非线性子系统、解耦的模态方程组以及模态正/反变换矩阵。通过实验测量方法辨识得到模态方程中的参数,采用MPI模型辨识得到静态迟滞非线性子系统,并经过逆补偿控制实验验证了迟滞模型的正确性。基于迟滞逆补偿策略辨识得到模态反变换矩阵。最终建立了平台的动力学模型,为后续的控制奠定了良好的基础。      

空间微重力磁悬浮平台激励器研究

为满足空间实验室的科学实验载荷对微重力环境水平的要求,需要保证空间微重力实验载荷平台的振动隔离性能,即需要平台激励器能在控制系统的作用下适时地产生抑制平台扰动的激励力.本文提出了平台激励器的初步指标,从磁悬浮基本原理出发设计出多种结构形式,在此结构基础上完成有限元磁路仿真和激励器的线圈设计,并对各种结构形式进行比较,根据比较结果总结出各结构形式的优缺点,为激励器的具体设计提供了依据.