空间智能桁架主动控制的数学仿真与实验研究

论文摘要

随着航天事业的发展,航天器的结构越来越复杂,挠性桁架结构在航天器上的应用也越来越多,由于桁架结构小阻尼、小刚度,在太空工作时易受外界的扰动而发生低频、大幅、长时间的振动,从而引起航天器的振动并使安装在航天器上的精密仪器无法正常工作。因此,对挠性空间桁架结构的振动控制问题是一个重要的研究课题,有着重大的现实意义。在这个背景下,本文研究了基于模态滤波器和最优控制理论的独立模态控制方法,并进行了空间智能桁架控制的数学仿真和振动实验。本文是围绕以挠性空间智能桁架结构的缩比模型为控制对象的实验系统展开的,主要工作包括:(1)以安装有压电作动器的空间智能桁架结构为研究对象,建立了简化的物理模型。分别应用线性有限元方法对其理论建模,应用实验方法对其实验建模,并得出智能桁架结构的动力学参数和结构特性。(2)基于实际应用和实验目的,设计了模态滤波器和状态观测器,以实现从实际的结构振动响应中获取模态参数:模态位移和模态速度,并利用最优控制理论设计控制器。根据实验系统建立仿真模型,并按照智能桁架结构中三个作动器作用和单个作动器作用分别进行仿真。仿真中,以瞬时激励扰动和周期激励扰动模拟桁架结构在太空中受到的瞬时冲击和反作用飞轮等旋转部件对其造成的干扰。通过仿真结果得出一定的结论,并对采用PID控制器控制桁架一阶模态进行仿真验证。(3)应用空间智能桁架主动控制平台进行主动控制实验。首先搭建实验平台,然后简要介绍各个组成分系统,阐述实验原理及实验流程,最后进行控制验证实验,取得实验数据并得出结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 大挠性空间桁架结构动力学研究
• 1.2.2 智能材料在主动控制中的应用
• 1.2.3 主动控制方法研究
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 空间智能桁架模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 物理模型
• 2.3 理论建模
• 2.3.1 杆单元建模
• 2.3.2 集中质量单元建模
• 2.3.3 压电作动器建模
• 2.3.4 压电主动杆建模
• 2.3.5 空间智能桁架有限元模型
• 2.4 实验建模
• 2.5 建模结果分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 智能桁架的独立模态控制设计
• 3.1 引言
• 3.2 独立模态控制理论
• 3.3 模态滤波器设计
• 3.3.1 模态滤波器原理
• 3.3.2 模态滤波器仿真
• 3.4 状态观测器设计
• 3.4.1 状态观测器基本理论
• 3.4.2 状态观测器仿真结果
• 3.5 基于模态滤波器MF和最优控制理论的IMSC方法
• 3.6 本章小结
• 第4章 智能桁架的控制仿真
• 4.1 引言
• 4.2 仿真模型
• 4.3 仿真结果和分析
• 4.3.1 三控制器仿真
• 4.3.2 单控制器仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 智能桁架的控制实验
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统
• 5.2.1 空间智能桁架
• 5.2.2 MATLAB /dSPACE综合仿真实验环境介绍
• 5.2.3 飞轮调速与测试系统
• 5.2.4 其他系统
• 5.3 实验原理
• 5.4 实验数据
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢