半主动微重力地面模拟平台高精度控制系统的研究

论文摘要

我国的航天事业已经进入一个转型升级的新时期,从传统单一的发射卫星完成通讯、信息采集等任务转入空间飞行器捕获、对接、操作、维修等高挑战性任务。对太空微重力力学环境模拟的越逼真,就越能够在飞行器上天前验证其动力学行为,确保飞行器动力学功能的高可靠性。本文介绍了微重力模拟的研究背景和意义,分析比较了国内外微重力模拟的方法,提出了一种新的六自由度微重力环境模拟平台。由气浮平台和气浮球轴承实现模拟目标在空间微重力环境下水平面的二维漂浮运动和三个转动漂浮自由度。为了实现六自由度的微重力模拟,在垂直地面方向(z向)上增加了一个低摩擦气缸,以平衡模拟目标的重力。由于气缸非线性摩擦力和气体波动的影响,仅利用控制气阀来控制气体流量的主动式气浮法,无法满足系统的精度和动态性能的要求,所以为了实现垂直方向上的“漂浮”运动状态,增加了滚珠丝杠并联结构来补偿系统的非线性摩擦力及未被气缸平衡的重力。拉压力传感器用于测量模拟目标所受到的外力在垂直方向上的大小,根据所受外力的大小估计模拟目标的加速度,并采用最小均方差方法估算下一时刻期望的速度,利用滚珠丝杠结构带动模拟目标在z向上运动,控制压力传感器的输出能够等于模拟目标的重力,保证目标物模拟出在空间失重环境下和所受的拉压力相当的动力学行为。定义压力传感器最终的输出值与模拟目标的重力,两者的差值为z向上未补偿的摩擦力,根据设计要求需保证其值小于1牛顿。在充分考虑外界干扰,分析系统误差后,对原有算法进行改进,采用基于卡尔曼滤波的控制算法,融合力传感器信号与光电编码器信号,设计出可靠的控制器,根据真实实验结果,提高了控制精度,改善了动态性能。任何电机都会存在死区,而本系统又需要电机频繁换向,所以死区对系统影响很大,而由于系统中滚珠丝杠存在非线性摩擦力,使得系统存在非对称死区。本文研究了各种死区补偿方法,分析了系统中电机的控制特性后,提出了基于模糊逻辑的不对称死区补偿方法,设计了模糊逻辑控制器,经仿真验证,可以很好地补偿系统死区,系统性能得到进一步提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的内容安排
• 第2章 半主动式微重力模拟平台硬件系统
• 2.1 引言
• 2.2 系统总体设计
• 2.2.1 系统组成
• 2.2.2 低摩擦气缸的特性分析
• 2.3 控制系统硬件设计
• 2.3.1 系统结构
• 2.3.2 丝杠导程的计算、电机的选型及最大捕获力的计算
• 2.3.3 拉压力传感器的选择
• 2.3.4 数据采集卡的选择
• 2.3.5 拉压力传感器信号的抗干扰措施
• 2.3.6 力与电路的输出电压关系的直线拟合
• 2.3.7 模拟目标的位姿控制装置
• 2.4 基于单片机的控制系统设计
• 2.4.1 引言
• 2.4.2 采用单片机控制的硬件改进
• 2.5 小结
• 第3章 基于多传感器信息融合的控制算法研究
• 3.1 信息融合的方法
• 3.2 基于系统简单模型的最小均方差算法
• 3.3 基于简单模型算法的不足及改进
• 3.3.1 控制系统的稳定性分析
• 3.3.2 传动部件的受力分析
• 3.3.3 考虑气动弹性的影响
• 3.3.4 拉压力传感器输出误差
• 3.4 基于卡尔曼滤波的控制算法
• 3.4.1 离散卡尔曼滤波模型
• 3.4.2 离散卡尔曼滤波算法
• 3.4.3 卡尔曼滤波模型参数的确定
• 3.5 控制时间的精确实现及缩短
• 3.5.1 vb 里如何实现精确定时1ms
• 3.5.2 如何缩短控制时间
• 3.6 控制程序流程图
• 3.7 实验结果
• 3.8 小结
• 第4章 基于模糊控制的死区补偿方法
• 4.1 引言
• 4.2 目前电机死区克服的方法有哪些
• 4.3 系统中电机性能分析
• 4.4 基于模糊控制的死区补偿方法
• 4.4.1 模糊系统的背景和特性
• 4.4.2 模糊控制系统的设计
• 4.4.3 自适应模糊控制器设计
• 4.4.4 实验结果
• 4.5 小结
• 第5章 总结和展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文与取得的研究成果