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环形可展开天线展开动力学分析及智能控制研究

李春贵  
【摘要】:空间大型环形可展天线具有展开口径大、质量轻、柔性大等特点,是一个典型的多柔体结构。在普通卫星天线中假设部件为刚体的动力学模型已无法描述环形可展天线展开过程的复杂动力学性态,必须借助于多柔体动力学理论对其进行建模才能够准确描述其展开动力学性态。同时,环形可展天线展开过程具有不确定性、多变量性、非线性和时变性,构件弹性变形的大小决定天线是否能够平稳展开及正常工作,因此,需要设计一套行之有效的控制系统对其展开过程在线实时控制,使得构件弹性变形保持在允许范围内。 本文依据某在研卫星天线研制工作的需要,针对环形可展天线进行了展开动力学分析与展开过程智能控制研究,为减小天线展开过程中的振动和平稳展开提供了技术支撑。本文主要工作与创新点为: 1.对环形可展天线循环轴对称的特点,选取平行四边形桁架单元作为系统最简物理模型,以此为研究对象,依据机构等效变换原理推导了系统的刚体动力学方程,并进行了刚体动力学响应分析。 2.基于刚体动力学分析的基础,利用多柔体系统动力学的方法,将有限元技术和拉格朗日方程结合,导出了系统展开过程的弹性动力学方程以及质量阵和刚度阵,在MATLAB平台上进行了动力响应计算,并做了深入的分析。 3.针对该天线展开过程的复杂性,利用三层BP神经网络对系统进行辨识,并建立了动态辨识模型。 4.依据环形可展天线系统辨识模型,把神经网络与预测优化控制的思想应用到控制系统设计中,设计了环形可展开天线展开过程构件弹性变形及速度控制的在线实时智能控制系统,同时基于MATALAB平台编写了控制程序。 动力学数值分析表明,把多柔体力学分为刚体力学和弹性力学对环形可展开天线进行动力响应分析是成功的,既避免了一贯采用多柔体力学中的矢量法建模求解的繁琐编程,又具备了矩阵法建模的准确性。控制仿真表明,智能控制系统具有良好的控制精度、灵活性和鲁棒性,完全能够满足天线平稳展开控制的要求。


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