基于智能結(jié)構(gòu)的大型可展開天線在軌控制研究.pdf

1、近幾十年來，由于通信、空間科學(xué)、地球觀測(cè)事業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)高精度的網(wǎng)狀展開天線的需求越來越迫切，所以大型空間網(wǎng)狀展開天線及其反射面精度控制技術(shù)就成為大型空間天線研究的一個(gè)熱門課題而受到世界各宇航公司和研究單位的關(guān)注。而振動(dòng)是引起天線反射面精度下降的一個(gè)及其重要的原因。因此，必須對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行控制。 智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展，為反射面振動(dòng)控制問題提供了新的思路，顯示出特有的生命力。因而，本文主要結(jié)合智能結(jié)構(gòu)的新思想，提出了基于光纖傳感器、

2、壓電作動(dòng)器及H∞混合靈敏度控制器的大型可展開天線反射面在軌振動(dòng)控制的智能結(jié)構(gòu)，并圍繞其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。主要工作如下： (1)在全面綜合當(dāng)前智能材料結(jié)構(gòu)研究發(fā)展成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)可展開天線反射面在軌振動(dòng)控制問題，提出了采用光纖傳感器/壓電作動(dòng)器/H∞控制器可展開天線縱向調(diào)整索反射面精度控制智能結(jié)構(gòu)的新方案，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 (2)通過對(duì)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幾何非線性的分析研究，建立了某周邊桁架式可展開天線結(jié)構(gòu)的非線性靜

3、力分析與動(dòng)力分析計(jì)算模型，將其應(yīng)用于實(shí)際天線結(jié)構(gòu)的計(jì)算中，取得了合理的計(jì)算結(jié)果。 (3)應(yīng)用壓電方程和彈性力學(xué)方程建立了含壓電作動(dòng)器的可展開天線智能結(jié)構(gòu)機(jī)電耦合有限元方程及動(dòng)力方程，從而，建立了含智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的模型。針對(duì)受控對(duì)象模型不確定性和受擾動(dòng)的特點(diǎn)，采用H∞混合靈敏度控制方法設(shè)計(jì)控制器。 (4)針對(duì)可展開天線中壓電作動(dòng)器的位置優(yōu)化問題，提出了一種較為簡(jiǎn)便且有效的位置優(yōu)化方法。該方法既考慮了外部激勵(lì)力對(duì)候選單元位

4、置處的響應(yīng)的大小和應(yīng)變能的大小，也考慮了可能配制智能結(jié)構(gòu)的候選位置處作動(dòng)力對(duì)響應(yīng)的敏感程度。并把三者結(jié)合在一起，得到每一個(gè)單元的總的可控度指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)的最大值決定了智能結(jié)構(gòu)的位置。并通過控制器仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。 (5)針對(duì)可展開天線反射面振動(dòng)控制智能結(jié)構(gòu)中的測(cè)試問題，采用先進(jìn)的光纖法珀(英文簡(jiǎn)寫為F-P)傳感器的傳感測(cè)試技術(shù)。從光纖F-P傳感器的理論模型出發(fā)，對(duì)光纖F-P傳感器的應(yīng)變傳感機(jī)理進(jìn)行了較系統(tǒng)的理論分析與研究。研究了使

5、用此傳感測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)縱向調(diào)整索預(yù)應(yīng)力及振動(dòng)監(jiān)測(cè)的理論和方法。設(shè)計(jì)了采用光纖法珀傳感器可展開天線縱向調(diào)整索傳感測(cè)試系統(tǒng)，建立了多模光纖傳感測(cè)試系統(tǒng)中傳感器的信噪比理論模型；完成了該測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)采集與處理部分的軟硬件設(shè)計(jì)；最后對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)標(biāo)定。結(jié)果表明：該測(cè)試系統(tǒng)具有測(cè)試精度和靈敏度高、測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)試性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)已初步具備了實(shí)驗(yàn)室使用的條件。 (6)以某大型可展開天線模型為例，采用所設(shè)計(jì)

6、的壓電作動(dòng)器/H∞控制器可展開天線縱向調(diào)整索反射面精度控制智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了控制器仿真。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠使振動(dòng)在極短的時(shí)間內(nèi)得到有效抑制，且采用H∞控制理論設(shè)計(jì)的控制器在筆者提出的傳感器/作動(dòng)器位置優(yōu)化處控制效果最好。從而證明了本文設(shè)計(jì)的控制器的有效性和位置優(yōu)化理論的正確性。采用所設(shè)計(jì)的光纖傳感測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行縱向調(diào)整索的靜、動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，并與傳統(tǒng)測(cè)試方法及理論值進(jìn)行了對(duì)比。 結(jié)果表明，基于光纖傳感器縱向調(diào)整索智能