李传兵[1]2001年在《中心刚体—折迭式柔性附件组合结构振动主动控制》文中研究说明随着航天事业的迅猛发展，大型柔性结构越来越多地使用在空间技术中。大型化、柔性化和低刚度已是航天飞行器的一个重要的发展趋势。这类大型柔性附件的大量使用，一方面增加了航天器设计和制造上的灵活性，增强了航天器功能，降低了发射成本，另一方面，由此带来的振动问题也越来越突出。柔性附件的持续振动不但影响附件本身的工作性能，而且还通过与主体的耦合影响到主体的运动精度与姿态稳定。另外，持续的振动也加速了结构的疲劳破坏，影响结构寿命。为此，本文基于智能结构思想，以折迭式航天柔性结构为研究背景，对中心刚体—折迭式柔性附件组合结构的振动主动控制问题进行了研究。在概述大型航天柔性结构振动主动控制研究现状的基础上，分析了在该领域中的研究空白和存在的主要问题，确定了本文的研究重点和研究思路：采用局部控制和全局协调相结合的控制方法，对中心刚体—折迭式柔性附件这类组合结构的主动控制进行研究，并采用实验建模的方法来解决大型复杂柔性结构的建模困难。按照这个研究思路，本文开展了以下几方面的研究工作：首先，对柔性结构与中心刚体间的耦合特性进行了理论分析。将研究对象简化为带有对称柔性梁的刚性体，分析了柔性附件与中心刚体的运动耦合模式，并对影响中心刚体姿态角的反对称耦合模式建立了动力学方程，通过对实际结构转动耦合系数的计算和仿真分析，确定了柔性附件振动控制的重点模态。用有限元计算了研究对象的低阶模态，为振动主动控制中传感器和执行器的优化配置提供参考。然后，研究了这类组合结构的振动主动控制方法。在分析集中控制的局限性的基础上，提出采用局部控制与全局协调相结合的控制策略。根据这个控制策略，分别系统地研究了中心刚体机动的仿人智能控制方法和柔性多体结构的分散预测控制方法，设计了具有组织级、协调级和执行级的组合结构振动主动控制器。为了解决大型航天柔性结构建模问题，对柔性结构的分散建模进行了研究。利用柔性悬臂梁模型，研究了通过激振实验和系统辨识对柔性结构进行分散建模的方法。着重讨论了采样频率、预测模型阶数的选择对预测精度和计算时间的影响。另外，为了充分地利用压电元件的传感能力和驱动能力，在传感器和执行器的优化配置中，提出了根据外部激励和柔性结构本身的振动状况来对压电元件的功能进行自动配置的思想。最后，建立了这类组合结构的振动主动控制实验系统，并进行了实验研究。该系统利用单轴气浮台实现了低阻尼运动基的建立，并采用反作用轮方<WP=5>式实现了在不引入附加阻尼的条件下运动基的机动。用复合材料层合板通过铰链扭簧机构连接构成了柔性多体结构，并设计了该折迭式结构的展开机构。整个控制系统的处理器是一个由两块TMS320F240和586微机组成的主从复合系统，通过对计算负荷的合理分配，有力地保证了控制的实时性。该实验系统建立完成后，分别对各柔性板进行了实验建模，并在此基础上设计了局部控制器。分别在折迭式柔性附件展开、中心刚体姿态调整和受到冲击激励时对柔性附件进行了振动控制。实验结果表明，通过对柔性附件的振动控制，柔性附件的振动能迅速衰减，中心刚体的定位精度也得到了大大地提高。从而通过实验验证了本文提出的控制方法的可行性和有效性。
王钦[2]2011年在《航天器姿态和挠性附件动力学分析与仿真验证研究》文中指出本文以带挠性附件航天器结构与姿态的耦合动力学为研究背景,利用Lagrange方程建立了基于混合坐标法的航天器结构-姿态动力学模型,对挠性附件结构的振动特性及与航天器的耦合关系进行了分析,提出了航天器结构-姿态联合仿真分析的方法,主要的研究工作如下:首先基于多刚体假设,利用欧拉方程推导了双自旋卫星姿态动力学方程,分析了双矢量姿态确定的精度问题,并给出了推广卡尔曼滤波姿态确定算法的递推步骤。分析了基于姿态动力学方程和四元数下的运动学方程,设计了双自旋卫星消旋平台的姿态控制PD算法,基于simulink软件建立卫星姿态控制计算机仿真模型,并通过仿真实验,验证了控制算法的有效性。其次,在结构动力学有限元求解方程的解法中,分别以中心差分法和Newmark法为代表讨论了显式算法和隐式算法的各自算法步骤、特点、稳定性条件及其适合使用的情况。利用Ansys有限元分析软件,对卫星—天线系统进行了比较完整的动力学分析,完成了基本数据的计算,获取了卫星—天线系统的固有频率及各阶振型。它不仅为天线结构设计提供所必须的频率与振型,而且通过分析结构参数和环境力/力矩对固有频率、响应特性的影响规律,为天线结构的优化设计奠定基础。在分析系统的固有频率和振型时,探讨了卫星—天线系统形成刚柔耦合的机理和力学本质,加深了对这类刚柔耦合影响的认识;强调了对这类系统进行刚柔耦合动力学分析的重要性。在此基础上,建立了离散的模态坐标系,通过适当的截取附件挠性结构的模态,得到了离散化的动力学方程,并求解了结构动力学与姿态动力学之间的耦合系数(包括平动耦合系数和转动耦合系数),此方法保证了较高的精度,同时也能为工程应用提供重要的参考价值。最后以某双自旋卫星星载天线为挠性附件,建立了基于有限元方法和刚体动力学相结合的航天器姿态动力学模型,并实现了航天器结构-姿态的动力联合仿真。结果表明:通过此联合仿真的方法能实现航天器姿态动力学全系统的性能分析和评估,在工程应用中有一定的参考价值。
张锋[3]2013年在《基于压电作动器的齿轮传动系统振动主动控制及算法研究》文中研究表明齿轮系统的振动不但会产生噪声和导致传动系统的不稳定，而且会加速传动系统的疲劳损害，使其失效进而产生严重后果。齿轮作为机械传动中的通用基础件，降低其振动噪声对于减少齿轮箱故障、改善工作环境具有重要工程意义。目前齿轮系统的振动噪声控制主要采取被动方式，包括齿轮修形优化、调整转子质量或刚度来改变其动力特性等。为了抑制齿轮啮合误差引起的周期振动噪声，本文结合压电智能材料的应用，将主动控制技术应用在齿轮传动啮合振动主动控制中，基于主动控制轴横向振动的思想，采用主动控制结构，使主动控制力以更直接的方式来控制齿轮啮合点由于传动误差激励而引起的振动，进而达到控制齿轮传动系统振动噪声的目的。论文主要工作如下：1)为了分析齿轮系统在啮合力的作用下产生的动态响应，首先建立齿轮系统的动力学模型，应用集中质量法建立了由一对渐开线直齿圆柱齿轮组成的传动系统叁自由度数学模型，在此模型基础上分析了激励频率和负载对齿轮传动系统动态响应的影响。利用压电堆作动器作为振动主动控制的执行器，提出了用于振动主动控制的齿轮箱主动结构方案。2)针对影响压电陶瓷作动器输出精度的滞回非线性问题，提出能够精确描述其滞回非线性特性的数学模型，分别采用Preisach模型和PI模型对压电作动器的滞回非线性进行建模，对压电堆的输出特性进行了仿真；在此基础上提出一种开环逆控制方法，应用PI逆模型作为控制器来补偿滞回非线性。仿真结果表明控制器的设计保证了系统的稳定，并有效抑制了压电作动器滞回非线性的影响。3)为了有效抑制齿轮传动系统由于啮合误差引起的周期振动，采用一种基于自适应滤波算法的振动主动控制方案。分别应用M文件型Level-2S函数和C-MEX S函数编写FxLMS自适应控制算法模块；通过算例验证了控制算法模块的正确性。在保证控制系统的稳定和快速收敛的前提下，深入讨论了用于周期性信号的振动主动控制FxLMS算法收敛条件，并对影响算法性能的内部因素进行了分析，同时分析了在次级通道辨识有误差和延迟的情况下算法的性能，为在实际应用中保证算法收敛并达到最佳控制效果提供重要理论依据。4)在ADAMS环境下建立了齿轮传动系统虚拟样机，将其作为被控对象子模块，添加到Simulink环境中建立的FxLMS控制系统中，建立起完整的齿轮传动振动主动控制联合仿真系统。联合仿真验证了所建模型以及控制算法的正确性。5)最后根据所提出的齿轮传动系统振动主动控制方法，构建了齿轮箱与压电堆作动器、传感器和控制器等必要的软、硬件构成的振动主动控制实验系统，进行了快速控制原型半实物实验：通过基于级联自适应陷波器技术提取齿轮啮合振动信号频率进而合成参考信号，利用归一化LMS自适应滤波器对包含压电堆作动器的次级通道进行离线辨识实验，得到次级通道的传递函数；最后将算法代码下载到dSPACE中作为控制器，与内置压电堆作动器的齿轮箱实验台组成快速控制原型进行实验验证。结果表明：由FxLMS算法控制的压电堆作动器对齿轮的啮合振动主动控制效果明显，在不同转速、不同负载情况下啮合振动有15dB-26dB的衰减。实验结果验证了本文提出的齿轮系统主动结构的正确性以及所建控制模块的有效性。
参考文献：
[1]. 中心刚体—折迭式柔性附件组合结构振动主动控制[D]. 李传兵. 重庆大学. 2001
[2]. 航天器姿态和挠性附件动力学分析与仿真验证研究[D]. 王钦. 国防科学技术大学. 2011
[3]. 基于压电作动器的齿轮传动系统振动主动控制及算法研究[D]. 张锋. 重庆大学. 2013
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