星載天線在軌模態(tài)參數(shù)辨識(shí)及其在振動(dòng)控制中的應(yīng)用.pdf

1、隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展,作為衛(wèi)星重要有效載荷的星載天線系統(tǒng)呈現(xiàn)出指向高精度和大型化發(fā)展趨勢(shì)。由于不可避免的制造和安裝誤差,重力和大氣阻力的影響使得在地面難以模擬真實(shí)太空的微重力真空環(huán)境,以及在軌工作時(shí)各種環(huán)境因素和天線機(jī)構(gòu)大范圍運(yùn)動(dòng)的影響等,都會(huì)使設(shè)計(jì)階段采用傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模以及地面試驗(yàn)方法得到的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)參數(shù)難以準(zhǔn)確描述星載天線的真實(shí)在軌工作狀態(tài)。這造成按照標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)參數(shù)所設(shè)計(jì)控制器的振動(dòng)抑制效果下降,甚至?xí)?dǎo)致控制系統(tǒng)失效。因此,為動(dòng)態(tài)了

2、解星載天線結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能,在軌調(diào)整控制器參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)抑制,在結(jié)合以往國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文對(duì)星載天線在軌狀態(tài)的模態(tài)參數(shù)辨識(shí)及其振動(dòng)控制問題開展研究。
　　為實(shí)現(xiàn)在軌模態(tài)參數(shù)辨識(shí),分別以觀測(cè)信息正交性最大和能量最高為優(yōu)化準(zhǔn)則設(shè)計(jì)了傳感器單目標(biāo)及多目標(biāo)優(yōu)化部署方案。利用有限元方法對(duì)星載天線反射面結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,根據(jù)模態(tài)空間H2范數(shù)進(jìn)行參振模態(tài)階數(shù)的確定;采用二重結(jié)構(gòu)整數(shù)編碼的遺傳算法對(duì)傳感器單目標(biāo)優(yōu)化部署問題進(jìn)行求解,

3、提出均勻設(shè)計(jì)方法對(duì)遺傳算法中的傳感器數(shù)量、種群規(guī)模、交叉概率和變異概率進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)置;引入NSGA-II算法并對(duì)其編碼方式和遺傳算子設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn),使之可以用于求解傳感器多目標(biāo)優(yōu)化部署問題。通過仿真對(duì)上述單目標(biāo)及多目標(biāo)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真比較證明:傳感器多目標(biāo)優(yōu)化部署方案克服了單目標(biāo)的局限性和片面性,得到更加符合實(shí)際工況的折衷解。
　　為保證在軌獲取高精度模態(tài)參數(shù),對(duì)含有干擾噪聲的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理。針對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(EMD

4、)采用連續(xù)均方誤差準(zhǔn)則(CMSE)難以判別噪聲和真實(shí)信號(hào)的問題,提出了基于能量權(quán)重準(zhǔn)則的改進(jìn)EMD方法,通過仿真驗(yàn)證了該判別準(zhǔn)則的有效性;將上述改進(jìn)EMD方法和小波閾值降噪方法相結(jié)合,利用EMD方法對(duì)受污染信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)性分解,基于能量權(quán)重準(zhǔn)則自動(dòng)區(qū)別噪聲和真實(shí)信號(hào),采用隨機(jī)排序——累加求平均的小波閾值方法對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行濾除,從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的降噪處理。通過與小波閾值和EMD方法的降噪效果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該信號(hào)降噪處理方法的有效性和優(yōu)越

5、性。
　　基于上述傳感器優(yōu)化部署方案和振動(dòng)信號(hào)降噪處理方法提供的信息全面、高信噪比信號(hào),對(duì)處于定點(diǎn)觀測(cè)狀態(tài)的星載天線采用時(shí)域方法進(jìn)行在軌模態(tài)參數(shù)辨識(shí)研究。按照振動(dòng)響應(yīng)貢獻(xiàn)大小,對(duì)多通道觀測(cè)信號(hào)的奇異熵增量進(jìn)行加權(quán)求和,提出了“加權(quán)奇異熵增量”的概念,并將其用于系統(tǒng)階數(shù)確定,彌補(bǔ)了奇異熵增量對(duì)多通道信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)定階時(shí)難以取舍的不足;在分析特征實(shí)現(xiàn)算法(ERA)和隨機(jī)子空間(SSI)體系時(shí)域方法計(jì)算流程區(qū)別和聯(lián)系的基礎(chǔ)上，通過引入相關(guān)

6、性分析技術(shù)構(gòu)造廣義Hankel矩陣,采用SVD分解和最小二乘方法求解系統(tǒng)狀態(tài)矩陣并提取模態(tài)參數(shù)信息,引入模態(tài)幅值相干系數(shù)(MAC)和模態(tài)奇異值(MSV)區(qū)分虛假和真實(shí)模態(tài),從而實(shí)現(xiàn)ERA和SSI體系求解過程的融合,有效解決了這兩類方法本身所造成振動(dòng)響應(yīng)貢獻(xiàn)小的模態(tài)被遺漏的問題。
　　對(duì)處于跟蹤掃描狀態(tài)的星載天線進(jìn)行在軌模態(tài)參數(shù)辨識(shí)及其在振動(dòng)控制中的應(yīng)用?；谡駝?dòng)控制的應(yīng)用目的,進(jìn)行傳感器/作動(dòng)器優(yōu)化部署:根據(jù)系統(tǒng)可控/可觀Gram

7、mian矩陣的特征值分布情況,設(shè)計(jì)符合星載天線模態(tài)密集、弱阻尼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的優(yōu)化準(zhǔn)則;采用混合粒子群算法(HPSO)進(jìn)行求解,并通過與遺傳算法進(jìn)行仿真對(duì)比驗(yàn)證了該算法的優(yōu)越性。引入觀測(cè)器/卡爾曼濾波辨識(shí)方法(OKID)獲取系統(tǒng)狀態(tài)空間模型,并基于此模型設(shè)計(jì)了LQG/LTR控制器,提出OKID+LQG/LTR分段循環(huán)集成方法實(shí)現(xiàn)星載天線跟蹤掃描時(shí)的振動(dòng)控制。
　　考慮到處于跟蹤掃描狀態(tài)的星載天線系統(tǒng)中含有反饋控制環(huán)節(jié),對(duì)此狀態(tài)下的閉環(huán)系

8、統(tǒng)進(jìn)行在軌模態(tài)參數(shù)辨識(shí)研究。為實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的動(dòng)態(tài)跟蹤,對(duì)傳統(tǒng)基于數(shù)據(jù)批量處理的閉環(huán)子空間方法進(jìn)行改進(jìn):根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)采用帶遺忘因子遞推最小二乘方法(FFRLS)求解系統(tǒng)Markov參數(shù)矩陣,利用投影近似子空間跟蹤技術(shù)(PAST)遞推估計(jì)Kalman狀態(tài)向量序列,最后采用FFRLS進(jìn)行系統(tǒng)矩陣的遞推求解,并從中實(shí)時(shí)提取相應(yīng)模態(tài)參數(shù)信息。與傳統(tǒng)子空間辨識(shí)方法相比,整個(gè)計(jì)算過程采用遞推算法實(shí)現(xiàn),便于模態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)跟蹤,算法簡(jiǎn)潔,不需離線估