动量飞轮隔振平台性能仿真与最优控制研究

论文摘要

近年来，大型甚高分辨率卫星成为了航天发展的一个明显趋势,其对空间光学有效载荷的精度要求越来越高，各种振动源对星上光学元件的影响也变得越发明显，特别是发射过程中的振动和动量飞轮产生的振动会对卫星整个过程带来大量、持续和频率带分布很广的扰动。为了减小卫星在发射段和在轨段所受到的振动影响，给星上光学精密有效载荷提供“超静”意义上的力学环境，最有效的方法是在星上安装隔振装置。为此，本文以武器装备预研重点基金项目[9140A2011QT4801]为依托，采用理论建模与仿真分析相结合的方法，对动量飞轮隔振平台性能仿真与最优控制进行研究，论文的主要工作和创新点如下：（1）对动量飞轮隔振平台采用的被动、主动和主被动隔振等方式进行了系统的动态特性分析，结果表明：单纯被动减振不能隔离星体上的低、中频振动；采用作动器直接作用在隔振对象上的安装方式，隔振效果最佳；控制器控制规律和反馈变量、反馈增益等参量对隔振性能的影响也较大。（2）设计了6个方向都能够实现隔振的立方体结构Stewart隔振平台，利用Newton—Euler法推导了隔振平台动力学模型，并基于MATLAB/Simulink平台和ADAMS平台分别搭建了隔振平台的动力学仿真系统和隔振平台的虚拟样机模型，仿真结果表明，施加隔振平台后振动响应幅值由6×10-6rad/s降低到了2×10-7rad/s，说明了所设计的隔振平台对整星姿态稳定有积极作用。（3）通过LQ最优控制系统和PID控制系统对比分析，提出了一种由PID动态补偿网络实现线性二次最优控制的方法，并将其应用于建立的主动控制系统。MATLAB和ADAMS联合仿真结果表明，优化后的隔振系统具有良好的隔振效果，振动幅值降低了一个数量级，实现了航天器高精度隔振。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 发射段整星隔振技术国内外研究现状
• 1.3 在轨段整星隔振技术国内外研究现状
• 1.4 论文研究的主要内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 隔振控制系统动态特性分析
• 2.1 被动隔振系统动态特性分析
• 2.1.1 被动隔振系统方案
• 2.1.2 被动隔振系统动态特性分析
• 2.2 主动隔振系统动态特性分析
• 2.2.1 不同控制规律下的动态特性分析
• 2.2.2 不同反馈变量和反馈增益下的动态特性分析
• 2.3 主被动隔振系统动态特性分析
• 2.3.1 主被动隔振系统作动器安装方案
• 2.3.2 作动器仅作用于隔振对象的动态特性分析
• 2.3.3 作动器作用于基础与中间体之间的动态特性分析
• 2.3.4 作动器作用于隔振对象与中间体之间的动态特性分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 动量飞轮隔振平台建模及仿真研究
• 3.1 动量飞轮振动分析
• 3.2 隔振平台结构介绍
• 3.3 隔振平台姿态描述
• 3.3.1 卡尔丹角坐标
• 3.3.2 欧拉角坐标
• 3.4 Newton-Euler 动力学方程
• 3.5 隔振平台动力学分析
• 3.5.1 支杆与隔振平台的空间关系
• 3.5.2 隔振平台支杆运动学分析
• 3.5.3 隔振平台支杆动力学分析
• 3.5.4 隔振平台运动学和动力学分析
• 3.6 任务空间运动状态反馈算法
• 3.7 隔振平台 Simulink 动力学仿真模型
• 3.8 隔振平台 ADAMS 虚拟样机仿真模型
• 3.8.1 虚拟样机动力学建模
• 3.8.2 弹簧阻尼器系数的选取
• 3.8.3 隔振平台动力学模型验证
• 3.9 仿真结果分析
• 3.10 本章小结
• 第4章 动量飞轮隔振平台最优控制
• 4.1 常规 PID 控制器
• 4.2 线性二次型最优控制
• 4.2.1 最优控制力推导
• 4.2.2 利用状态观测器获取状态变量估计
• 4.3 线性二次最优控制的 PID 参数优化控制法
• 4.3.1 线性定常二次最优调节器的结构与鲁棒性
• 4.3.2 LQR 系统与 PID 控制系统的联系
• 4.4 线性二次最优 PID 参数
• 4.5 控制系统的建模
• 4.6 仿真分析
• 4.6.1 ADAMS 与 MATLAB 联合仿真步骤
• 4.6.2 仿真结果分析
• 4.7 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录 A 攻读硕士学位期间发表的论文和获得成果
• 致谢