八作动器隔振平台的六自由度容错控制研究

论文摘要

整星隔振技术是在运载火箭和卫星之间采用隔振器替代传统的适配器来改善卫星的动力学环境、提高发射的成功率、降低卫星的结构质量。隔振器采用主-被动一体化的形式可以发挥被动隔振和主动隔振各自的优点,这种方式在被动隔振的基础上并联主动控制元件,用主动控制削减被动隔振的谐振峰、改进平台的低频隔振性能及支撑刚度,而在高频段仍采用被动隔振,这样能实现全频带隔振,而且使系统能耗较小。八作动器并联的结构可以实现六自由度隔振,这种对称结构提高了可靠性。与六个作动器的Stewart平台相比,八作动器结构几乎不增加动力学方程的复杂程度。每个作动器由气缸、弹簧和阻尼器并联,通过球铰与上台面和基座连接,能够提供主-被动一体化隔振。本文对气动八杆隔振平台的主动控制系统进行了研究,考虑了作动器失效时的建模、控制与故障识别问题。由于平台具有多个输入和输出,平台通道间的耦合特性比较复杂,控制难度较高,因此重点研究了平台正常工作时和有作动器失效时的解耦控制问题。在平台完整动力学模型的基础上,忽略一些次要因素得到了适合控制系统设计的简化模型。接着通过输入输出变换实现了平台各反馈通道间的解耦,这样就可以设计SISO控制律对平台的各个通道分别进行控制。文中还分析了基于状态观测器的故障诊断在八杆隔振平台上的应用,与控制算法结合,可以保证在一个或两个作动器失效的情况下提供六自由度隔振。最后实验测得了其正常工作时和有作动器失效时的传递率曲线,结果说明该主动控制算法是有效的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 隔振技术综述
• 1.2.2 关于Stewart平台的研究现状
• 1.2.3 故障诊断技术的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 气动八作动器隔振平台的建模
• 2.1 气动八作动器隔振平台简介
• 2.2 以作动力为输入的平台动力学模型
• 2.3 平台的雅格比矩阵
• 2.4 气缸模型
• 2.5 模型的简化及作动器失效时的平台模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 八作动器隔振平台的解耦控制
• 3.1 引言
• 3.2 解耦变换阵
• 3.3 控制律设计
• 3.4 仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 作动器故障的判别
• 4.1 引言
• 4.2 隔振平台的状态空间模型
• 4.3 基于状态观测器的作动器故障诊断
• 4.4 基于未知输入观测器的鲁棒作动器故障诊断
• 4.4.1 未知输入观测器
• 4.4.2 未知输入观测器的设计
• 4.5 仿真研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 八作动器隔振平台的应用仿真与实验
• 5.1 基于八杆平台的指向/隔振系统
• 5.2 平台的隔振实验
• 5.2.1 实验设备
• 5.2.2 实验结果
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢