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《重庆大学》 2001年
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中心刚体—折叠式柔性附件组合结构振动主动控制

李传兵  
【摘要】:随着航天事业的迅猛发展,大型柔性结构越来越多地使用在空间技术中。大型化、柔性化和低刚度已是航天飞行器的一个重要的发展趋势。这类大型柔性附件的大量使用,一方面增加了航天器设计和制造上的灵活性,增强了航天器功能,降低了发射成本,另一方面,由此带来的振动问题也越来越突出。柔性附件的持续振动不但影响附件本身的工作性能,而且还通过与主体的耦合影响到主体的运动精度与姿态稳定。另外,持续的振动也加速了结构的疲劳破坏,影响结构寿命。为此,本文基于智能结构思想,以折叠式航天柔性结构为研究背景,对中心刚体—折叠式柔性附件组合结构的振动主动控制问题进行了研究。 在概述大型航天柔性结构振动主动控制研究现状的基础上,分析了在该领域中的研究空白和存在的主要问题,确定了本文的研究重点和研究思路:采用局部控制和全局协调相结合的控制方法,对中心刚体—折叠式柔性附件这类组合结构的主动控制进行研究,并采用实验建模的方法来解决大型复杂柔性结构的建模困难。按照这个研究思路,本文开展了以下几方面的研究工作: 首先,对柔性结构与中心刚体间的耦合特性进行了理论分析。将研究对象简化为带有对称柔性梁的刚性体,分析了柔性附件与中心刚体的运动耦合模式,并对影响中心刚体姿态角的反对称耦合模式建立了动力学方程,通过对实际结构转动耦合系数的计算和仿真分析,确定了柔性附件振动控制的重点模态。用有限元计算了研究对象的低阶模态,为振动主动控制中传感器和执行器的优化配置提供参考。 然后,研究了这类组合结构的振动主动控制方法。在分析集中控制的局限性的基础上,提出采用局部控制与全局协调相结合的控制策略。根据这个控制策略,分别系统地研究了中心刚体机动的仿人智能控制方法和柔性多体结构的分散预测控制方法,设计了具有组织级、协调级和执行级的组合结构振动主动控制器。 为了解决大型航天柔性结构建模问题,对柔性结构的分散建模进行了研究。利用柔性悬臂梁模型,研究了通过激振实验和系统辨识对柔性结构进行分散建模的方法。着重讨论了采样频率、预测模型阶数的选择对预测精度和计算时间的影响。另外,为了充分地利用压电元件的传感能力和驱动能力,在传感器和执行器的优化配置中,提出了根据外部激励和柔性结构本身的振动状况来对压电元件的功能进行自动配置的思想。 最后,建立了这类组合结构的振动主动控制实验系统,并进行了实验研究。该系统利用单轴气浮台实现了低阻尼运动基的建立,并采用反作用轮方WP=5式实现了在不引入附加阻尼的条件下运动基的机动。用复合材料层合板通过铰链扭簧机构连接构成了柔性多体结构,并设计了该折叠式结构的展开机构。整个控制系统的处理器是一个由两块TMS320F240和586微机组成的主从复合系统,通过对计算负荷的合理分配,有力地保证了控制的实时性。该实验系统建立完成后,分别对各柔性板进行了实验建模,并在此基础上设计了局部控制器。分别在折叠式柔性附件展开、中心刚体姿态调整和受到冲击激励时对柔性附件进行了振动控制。实验结果表明,通过对柔性附件的振动控制,柔性附件的振动能迅速衰减,中心刚体的定位精度也得到了大大地提高。从而通过实验验证了本文提出的控制方法的可行性和有效性。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TB535

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【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
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【同被引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前6条
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