基于電磁作動(dòng)器的整星主被動(dòng)一體化隔振技術(shù)研究.pdf

1、航天器在短短幾十分鐘的發(fā)射階段要承復(fù)雜和惡劣的動(dòng)力學(xué)環(huán)境，包括作用在航天器表面的火箭整流罩內(nèi)的噪聲載荷和通過星箭連接面?zhèn)鬟f來的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和分離裝置的爆炸沖擊。這些強(qiáng)烈的振動(dòng)如果不加以有效的抑制，將可能引起局部失穩(wěn)、承力件斷裂或結(jié)構(gòu)破壞；也可能對(duì)振動(dòng)敏感的組件造成指標(biāo)漂移、工作失效等故障。整星隔振通過研究航天器隔振和阻尼技術(shù)對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性的影響，依據(jù)發(fā)射階段的動(dòng)力學(xué)環(huán)境制定相應(yīng)的技術(shù)方案從而在不改變航天器結(jié)構(gòu)的前提改善航天器振動(dòng)環(huán)境和動(dòng)力

2、學(xué)特性，有效地提高系統(tǒng)的可靠性，降低發(fā)射失敗的風(fēng)險(xiǎn)。本文從研究和設(shè)計(jì)一種電磁作動(dòng)器出發(fā)，分別在單軸、六自由度Stewart隔振平臺(tái)以及大型柔性航天器整星隔振器等幾種典型機(jī)構(gòu)中研究作動(dòng)器的應(yīng)用及主被動(dòng)一體化振動(dòng)控制方法。本文主要研究了以下幾方面內(nèi)容：
　　首先提出和論述了電磁隔振器的原理、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問題，作為整篇文章的基礎(chǔ)和主線。介紹了電磁作動(dòng)器設(shè)計(jì)中所涉及的電磁場基本理論，針對(duì)課題所選用的直線音圈式電磁作動(dòng)器的工作原理進(jìn)行分析；提

3、出電磁作動(dòng)器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則并給出設(shè)計(jì)方案；通過理論計(jì)算及電磁有限元仿真分析對(duì)此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及作動(dòng)性能的初步分析。
　　其次深入研究了單軸電磁隔振系統(tǒng)的原理、特性及基于線性空間描述的控制方法。根據(jù)主動(dòng)隔振的基本原理給出了主動(dòng)控制系統(tǒng)的兩種數(shù)學(xué)模型，并介紹了系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本判據(jù)；介紹了線性控制系統(tǒng)的LQR最優(yōu)控制律及其基于狀態(tài)觀測器的實(shí)現(xiàn)問題；針對(duì)電磁作動(dòng)器樣機(jī)設(shè)計(jì)了單自由度主動(dòng)隔振系統(tǒng)，通過仿真比較了不同參數(shù)下LQR最優(yōu)控

4、制器和帶降維狀態(tài)觀測器的最優(yōu)控制系統(tǒng)的隔振效果；針對(duì)電磁隔振器的反電動(dòng)勢(shì)帶來的輸入輸出非線性問題提出了電流環(huán)PID控制器，使輸出電流復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)，從而使作動(dòng)力與輸入信號(hào)成線性比例關(guān)系；針對(duì)由柔性載荷隔振系統(tǒng)簡化而來的二自由度隔振系統(tǒng)進(jìn)行了控制器設(shè)計(jì)與仿真分析。
　　隨后，采用Stewart平臺(tái)作為隔振機(jī)構(gòu)，研究了剛性衛(wèi)星的6自由度隔振。采用Newton-Euler法分別分析了隔振平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性，建立任務(wù)空間和關(guān)節(jié)空間下的

5、動(dòng)力學(xué)方程及線性化處理，分析了系統(tǒng)的響應(yīng)、傳遞函數(shù)等特性；針對(duì)Stewart平臺(tái)多入多出和輸出反饋的控制需求以及建模、噪聲等不確定性因素的影響，介紹了H∞魯棒控制律的原理；在前文分析的基礎(chǔ)上，對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)中可能存在的噪聲、測量誤差等不確定性因素，選定合適的加權(quán)函數(shù)，并求解出相應(yīng)的H∞控制矩陣，研究Stewart隔振平臺(tái)的主動(dòng)隔振效果。
　　接著提出了一種嵌入式整星隔振系統(tǒng)，將電磁作動(dòng)器應(yīng)用于其中設(shè)計(jì)了用于大型柔性航天器的主被動(dòng)一體

6、化隔振平臺(tái)。給出了隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了增加隔振系統(tǒng)前后固有特性的改變；介紹了多自由度彈性系統(tǒng)的模態(tài)空間描述方法和模態(tài)力與實(shí)際作用力的轉(zhuǎn)換關(guān)系，給出了獨(dú)立模態(tài)控制的方法和基本步驟；分別通過模態(tài)觀測和特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的思想給出了多自由度系統(tǒng)模態(tài)控制的兩種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，并通過模型降階使控制系統(tǒng)真正能夠在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)；基于前文介紹的H∞方法，針對(duì)隔振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型求解了魯棒控制率并進(jìn)行仿真分析。
　　最后對(duì)基于電磁作動(dòng)器的幾種典型隔振