基于智能结构的大型可展开天线在轨控制研究

论文摘要

近几十年来,由于通信、空间科学、地球观测事业迅猛发展,对高精度的网状展开天线的需求越来越迫切,所以大型空间网状展开天线及其反射面精度控制技术就成为大型空间天线研究的一个热门课题而受到世界各宇航公司和研究单位的关注。而振动是引起天线反射面精度下降的一个及其重要的原因。因此,必须对其振动进行控制。智能材料与结构的发展,为反射面振动控制问题提供了新的思路,显示出特有的生命力。因而,本文主要结合智能结构的新思想,提出了基于光纤传感器、压电作动器及H∞混合灵敏度控制器的大型可展开天线反射面在轨振动控制的智能结构,并围绕其关键技术进行深入研究。主要工作如下:（1）在全面综合当前智能材料结构研究发展成果的基础上,针对可展开天线反射面在轨振动控制问题,提出了采用光纤传感器/压电作动器/H∞控制器可展开天线纵向调整索反射面精度控制智能结构的新方案,并对其关键技术进行了设计。（2）通过对索网结构几何非线性的分析研究,建立了某周边桁架式可展开天线结构的非线性静力分析与动力分析计算模型,将其应用于实际天线结构的计算中,取得了合理的计算结果。（3）应用压电方程和弹性力学方程建立了含压电作动器的可展开天线智能结构机电耦合有限元方程及动力方程,从而,建立了含智能结构振动控制的模型。针对受控对象模型不确定性和受扰动的特点,采用H∞混合灵敏度控制方法设计控制器。（4）针对可展开天线中压电作动器的位置优化问题,提出了一种较为简便且有效的位置优化方法。该方法既考虑了外部激励力对候选单元位置处的响应的大小和应变能的大小,也考虑了可能配制智能结构的候选位置处作动力对响应的敏感程度。并把三者结合在一起,得到每一个单元的总的可控度指标,这个指标的最大值决定了智能结构的位置。并通过控制器仿真进行了验证。（5）针对可展开天线反射面振动控制智能结构中的测试问题,采用先进的光纤法珀（英文简写为F-P）传感器的传感测试技术。从光纤F-P传感器的理论模型出发,对光纤F-P传感器的应变传感机理进行了较系统的理论分析与研究。研究了使用此传感测试系统实现纵向调整索预应力及振动监测的理论和方法。设计了采用光纤法珀传感器可展开天线纵向调整索传感测试系统,建立了多模光纤传感测试系统中传感器的信噪比理论模型;完成了该测试系统的信号采集与处理部分的软硬件设计;最后对所设计的传感测试系统进行了试验标定。结果表明:该测试系统具有测试精度和灵敏度高、测试系统简单、测试性能稳定等优点。所设计的测试系统已初步具备了实验室使用的条件。（6）以某大型可展开天线模型为例,采用所设计的压电作动器/H∞控制器可展开天线纵向调整索反射面精度控制智能结构系统进行了控制器仿真。仿真结果表明,所设计的控制系统能够使振动在极短的时间内得到有效抑制,且采用H∞控制理论设计的控制器在笔者提出的传感器/作动器位置优化处控制效果最好。从而证明了本文设计的控制器的有效性和位置优化理论的正确性。采用所设计的光纤传感测试系统进行纵向调整索的静、动态特性测试,并与传统测试方法及理论值进行了对比。结果表明,基于光纤传感器纵向调整索智能结构能够准确测得调整索预应力、固有频率值及振型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 智能材料结构及其国内外应用情况
• 1.2.1 智能结构的概念
• 1.2.2 智能结构在航空航天领域振动智能控制中的应用研究
• 1.2.3 智能结构中的驱动元件
• 1.2.4 智能结构中的传感元件
• 1.2.5 光纤与光纤传感技术
• 1.3 论文的主要研究内容和方法
• 第二章 大型可展开天线振动控制智能结构总体方案
• 2.1 引言
• 2.2 总体方案
• 2.3 大型可展开天线初始平衡状态分析
• 2.3.1 可展开天线的概念及结构形式
• 2.3.2 周边桁架式可展开天线结构分析
• 2.3.3 初始平衡状态的有限元分析
• 2.3.4 单片索网辐射单元的初始平衡状态的计算
• 2.3.5 单片索网辐射单元的结构模态分析
• 2.4 光纤传感测试技术在可展开天线纵向调整索上的应用
• 2.4.1 光纤技术在航空航天中的军事应用
• 2.4.2 光纤传感器在可展开天线振动控制中的应用
• 2.4.3 建立大型可展开天线压电作动器智能结构控制方程
• 2.4.4 作动器/传感器在可展开天线反射面振动控制智能结构中的位置优化
• 2.4.5 控制器的设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 大型天线反射面振动控制智能结构中作动器/传感器的位置优化研究
• 3.1 引言
• 3.2 压电智能结构在网状天线中的结构方案
• 3.3 可展开天线中传感器/作动器位置优化分析
• 3.3.1 优化配制的性能指标函数的建立准则
• 3.3.2 智能单片索网辐射单元传感器/作动器位置优化准则
• 3.4 数值示例及讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 智能天线振动控制方程的建立与控制系统的设计
• 4.1 引言
• 4.2 有限元法的基本思想
• 4.3 周边桁架式可展开天线智能单片索网辐射单元有限元建模
• 4.3.1 空间杆单元局部坐标系和整体坐标系的建立
• 4.3.2 局部坐标系下一般杆单元的力平衡方程的建立
• 4.3.3 局部坐标系下主动杆单元的力平衡方程的建立
• 4.3.4 局部坐标系下主动杆单元控制电压等效作动力的平衡方程
• 4.3.5 坐标转换矩阵
• 4.3.6 单片索网辐射单元天线的动力方程
• 4.4 周边桁架式可展开天线控制系统的设计
• ∞鲁棒控制理论的起源和发展'>4.4.1 H_∞鲁棒控制理论的起源和发展
• ∞鲁棒控制理论的概念及实质'>4.4.2 H_∞鲁棒控制理论的概念及实质
• ∞鲁棒控制理论的标准设计问题'>4.4.3 H_∞鲁棒控制理论的标准设计问题
• ∞控制器的求解问题'>4.4.4 H_∞控制器的求解问题
• ∞鲁棒控制器设计中要考虑的问题'>4.4.5 实际系统H_∞鲁棒控制器设计中要考虑的问题
• ∞混合灵敏度控制器的设计'>4.4.6 H_∞混合灵敏度控制器的设计
• ∞鲁棒振动控制'>4.4.7 可展开天线的H_∞鲁棒振动控制
• 4.5 小结
• 第五章 大型天线反射面振动控制的光纤传感测试技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 可展开天线光纤传感智能结构的设计思想
• 5.2.1 纵向调整索预应力测试系统的组成及工作原理
• 5.2.2 纵向调整索预应力测试系统的特点
• 5.3 光纤珐珀传感器测试理论分析
• 5.3.1 光纤珐珀传感器结构设计
• 5.3.2 光纤F-P传感器中的光波干涉测量技术
• 5.3.3 基体应变、干涉光特征参量与传感器结构参数之间函数关系推导
• 5.4 光纤F-P传感测试系统中的信噪比分析
• 5.4.1 模式噪声的机理、现象及影响
• 5.4.2 模式噪声的数学分析—耦合效率
• 5.4.3 模式噪声的信噪比
• 5.4.4 减少或消除模式噪声的方法
• 5.5 光纤F-P传感器的性能试验分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 光纤传感器在大型天线地面模型测试中的试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 可展开天线模型
• 6.3 试验测试系统的设计
• 6.3.1 信号采集分析处理系统的硬件设计
• 6.3.2 信号采集分析系统的软件设计
• 6.4 可展开天线纵向调整索预应变测试试验研究
• 6.4.1 静力加载条件下的张力测试
• 6.4.2 振动状态下的纵向调整索张力监测
• 6.5 可展开天线单片索网辐射单元模态参数测量试验研究
• 6.5.1 试验原理
• 6.5.2 试验研究内容
• 6.5.3 试验及试验结果分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 论文创新点
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果