李春贵[1]2006年在《环形可展开天线展开动力学分析及智能控制研究》文中指出空间大型环形可展天线具有展开口径大、质量轻、柔性大等特点,是一个典型的多柔体结构。在普通卫星天线中假设部件为刚体的动力学模型已无法描述环形可展天线展开过程的复杂动力学性态,必须借助于多柔体动力学理论对其进行建模才能够准确描述其展开动力学性态。同时,环形可展天线展开过程具有不确定性、多变量性、非线性和时变性,构件弹性变形的大小决定天线是否能够平稳展开及正常工作,因此,需要设计一套行之有效的控制系统对其展开过程在线实时控制,使得构件弹性变形保持在允许范围内。 本文依据某在研卫星天线研制工作的需要,针对环形可展天线进行了展开动力学分析与展开过程智能控制研究,为减小天线展开过程中的振动和平稳展开提供了技术支撑。本文主要工作与创新点为: 1.对环形可展天线循环轴对称的特点,选取平行四边形桁架单元作为系统最简物理模型,以此为研究对象,依据机构等效变换原理推导了系统的刚体动力学方程,并进行了刚体动力学响应分析。 2.基于刚体动力学分析的基础,利用多柔体系统动力学的方法,将有限元技术和拉格朗日方程结合,导出了系统展开过程的弹性动力学方程以及质量阵和刚度阵,在MATLAB平台上进行了动力响应计算,并做了深入的分析。 3.针对该天线展开过程的复杂性,利用三层BP神经网络对系统进行辨识,并建立了动态辨识模型。 4.依据环形可展天线系统辨识模型,把神经网络与预测优化控制的思想应用到控制系统设计中,设计了环形可展开天线展开过程构件弹性变形及速度控制的在线实时智能控制系统,同时基于MATALAB平台编写了控制程序。 动力学数值分析表明,把多柔体力学分为刚体力学和弹性力学对环形可展开天线进行动力响应分析是成功的,既避免了一贯采用多柔体力学中的矢量法建模求解的繁琐编程,又具备了矩阵法建模的准确性。控制仿真表明,智能控制系统具有良好的控制精度、灵活性和鲁棒性,完全能够满足天线平稳展开控制的要求。
罗凡[2]2017年在《大型天线同步起吊控制系统的设计》文中进行了进一步梳理为了在地面测量大型星载可展开反射面天线的电性能从而指导天线的结构设计,需要进行天线的零重力悬挂式展开实验。实验前需将天线悬吊到指定高度,并保证其起吊精度要求。天线的电性能依赖于反射面表面的精度,而反射面表面精度易受天线自重的影响。因此,本课题设计一套大型天线同步起吊控制系统,通过悬吊的方式抵消掉天线的重力,使天线以指定的起吊精度运动到指定高度处。综合分析系统的特点及控制要求后,制定控制系统的总体方案。为了实现自动化的控制需求,系统采用PLC作为主控制器,触摸屏作为人机交互界面。触摸屏与PLC之间通过以太网进行通信,并控制伺服电机带动机械执行机构运转,实现系统的起吊功能。为保证起吊精度,系统采用伺服电机自带的编码器作为反馈元件,对天线的位置参数进行检测。PLC通过MODBUS通信读取检测信号,运算后将信号传递至触摸屏,再由触摸屏发送指令到PLC,控制机械执行机构运转实现系统的半闭环控制。通过触摸屏与PLC之间的以太网通信可以实现系统的远程控制。在总体方案的基础上,对系统的主控制器、触摸屏、电机驱动系统、反馈装置以及起吊装置等进行选型。设计控制系统的硬件电路,在此基础上设计触摸屏界面并制定PLC程序的整体框架。完成软硬件设计后,对控制系统进行硬件调试、软件调试以及实验室调试和现场调试。该天线同步起吊控制系统具有单点起吊、五点同步起吊和自动运行三种运行模式。通过触摸屏可以设置天线的起吊位移和速度等参数,同时显示系统的各种运行状态。
刘士华[3]2005年在《大型空间可展开天线压电智能结构研究》文中提出随着卫星通信、空间科学和国防事业的发展，对高精度的大型网状可展开天线的需求越来越迫切，这就使得大型网状可展开天线反射面精度调整和控制技术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。 本文针对这一课题，研究压电智能结构用于空间大型可展开天线反射面精度调整的理论和实践，建立了双压电晶片驱动位移模型，通过ANSYS实现了含压电单元的结构分析，解决了对称以及非对称压电智能梁的有限元分析，总结了分析结论并推导了静态变形控制电压的优化公式：充分考虑了大型天线结构的特性，建立了含压电智能结构的有限元分析模型，完整地给出了分析过程；最后结合某改进型周边构架式空间网状可展开天线结构，对所设计的该天线反射面1／48有限元模型进行了分析计算，结果表明，该分析方法是有效和可行的。
刘亮[4]2010年在《桁架可展天线展开过程分析、控制及试验》文中研究指明可展桁架天线结构作为一种新型结构形式,近些年来在宇航和军事工程等领域的应用越来越广泛,论文首先查阅了国内外大量相关文献,总结了国内外空间可展开结构的应用情况及其展开过程分析、控制及试验测试的研究现状。为了得到天线展开过程节点的速度、加速度等动力学特性,必须对天线的展开过程进行测量。本文对非接触式的计算机视觉测量方法进行了研究,并将其应用在环形桁架天线和四面体可展天线的展开过程测试中。展开过程控制是大型可展天线研究的重要内容,本文对四面体构架式天线进行了展开过程动力学分析,为了减小天线节点在展开过程中的速度、加速度,提出了对节点施加主动力的控制方案,并在实验室双圈天线模型的基础上就该方案进行了展开过程控制试验及测试。测试采用非接触式计算机视觉测量系统,通过MATLAB程序对视频跟踪所得数据进行处理和分析,得到了展开过程中天线节点的速度,加速度。试验结果表明,通过所施加的控制方法,有效地减小了天线节点在展开过程中的速度、加速度,从而降低了天线对星体的冲击力,验证了控制方法的可行性。对本教研室设计的动态索张力测量仪进行了标定试验,得到了测量误差,并进行了误差分析,针对实际测量中存在的问题提出了改进方案。对实验室的十二边环形桁架天线模型进行了展开过程动力学分析,求得结构展开运动过程中节点的速度、加速度。在展开过程动力学分析的基础上提出了动能按余弦规律变化的控制方案,并就该控制方案进行了展开过程试验。试验过程中采用了非接触式的计算机视觉测量系统,避免了在天线上安装传感器对天线结构造成的影响。
刘丽坤, 周志成, 郑钢铁, 田强[5]2014年在《大型网状可展开天线的动力学与控制研究进展》文中提出随着卫星移动通信技术的迅猛发展,为了提高卫星天线增益,普遍采用大型网状可展开抛物面天线。由于该类天线具有质量惯量大、展开过程耗时长、低刚度等特点,其展开过程和在轨正常工作期间,对卫星的动力学和姿态控制有较大影响。文章首先对大型网状可展开天线的特点及其对卫星动力学与控制的影响进行介绍,然后对大型网状可展开天线带来的动力学与控制相关问题进展进行了综述,包括:大型网状可展开天线展开状态动力学建模、展开状态试验验证、展开过程动力学建模、展开过程姿态控制及在轨天线指向控制等。最后对采用大型网状可展开天线的动力学与控制研究方向进一步需深入开展的工作提出了建议。
刘春霞[6]1999年在《空间大型可展开天线的控制研究》文中提出可展开天线是现代空间天线的一个主要的发展趋势，具有广泛的应用前景，各国竞相发展这项技术。由于这种天线结构上具有尺寸大、重量轻、柔性大的特点，在动力分析、结构设计和控制上存在许多难点，引起了广泛的关注。 本文经过探索性的研究，给出了可展开天线的展开末瞬时速度控制的一种有效方法：首先利用多柔体动力学的分析方法，将有限元法和拉格朗日方程相结合，建立起可展开天线最简模型的动力学方程，并利用符号数学工具推导出一般平面梁单元动力方程系数矩阵的解析表达式。采用数值积分中的Newmark法对天线的展开过程进行了动力响应分析，并利用神经网络技术建立起该天线的神经网络系统辩识动态模型。在此基础上，将神经网络与预测控制、优化技术相结合，设计出用于该天线展开过程末瞬时速度控制的智能控制系统。计算机数字仿真结果表明该控制系统能够满足控制要求，且在准确性、灵活性、鲁棒性等方面有优良表现。
罗鹰[7]2004年在《大型星载可展开天线的动力优化设计与工程结构的系统优化设计》文中研究说明本文的研究工作由两部分组成：一是大型星载可展开天线的动力优化设计，二是工程结构的系统优化设计。大型星载可展开天线动力优化的研究工作是总装备部“十五”重点预研项目—大型可展开天线技术的一部分，主要包括以下几个方面： 1．论述了当前大型星载可展开天线的研究现状，提出了我国在可展开天线设计，特别是在可展开天线动力优化设计方面存在的问题，说明了开展星载可展开天线动力优化研究的必要性与艰巨性。 2．根据星载天线反射面结构形式、天线展开驱动类型的不同，分别对星载可展开天线结构进行了归纳总结，并就星载可展开天线所用材料进行了有针对性的介绍，对星载天线未来的发展趋势进行了展望。 3．通过对索网结构几何非线性的分析研究，建立了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，并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。 4．对周边桁架式可展开天线结构动、静力性能以及各种设计参数对其性能的影响进行了系统地分析，建立了周边桁架式可展开天线结构处于展开状态时的动力优化模型，该模型以拉索单元预张力和周边桁架单元横截面积为设计变量，以天线反射面精度、结构最低固有频率、频率禁区以及结构强度等为约束，以结构重量(或质量)为目标函数。 5．针对周边桁架式可展开天线动力优化模型具有高非线性、设计变量类型复杂、求解规模大等困难，提出了将遗传算法(GA)引入可展开天线动力优化设计中的思想，利用改进后的遗传算法对优化模型进行了优化计算，取得了合理的优化结果。 6．根据星载可展开天线具有结构两态性的特点，首次尝试了同时考虑两种状态—发射时的收拢状态和工作时的展开状态下的可展开天线动力优化设计，建立了同时考虑星载天线处于两种状态下的动力优化模型，并将其应用于实际天线的优化设计中，取得了合理的优化结果。 7．为解决周边桁架式可展开天线处于收拢状态时结构复杂，计算难度大的困难，提出了基于结构刚度等效准则的复杂结构简化计算方法，据此对可展开天线处于收拢状态时的结构模型进行了简化处理，建立了相应的计算模型，推导了结构参数的等效计算公式，并对各材料参数对结构特性，特别是结构动力性能的影响做了较深入分析。 8．比较了三种星载天线常用拉索布局类型的特点，分析了拉索系统布局改变西安电子科技大学博士学位论文对结构精度、天线重量以及结构动力性能的影响。建立了可展开天线的布局优化数学模型，该模型以天线拉索系统中上、下悬索数量、以及中间调节索数量作为设计变量，在优化过程中同时考虑结构的精度约束和结构重量约束，并通过算例对模型进行了验证。 本文第二部分关于工程结构系统优化的研究工作得到了国家自然科学基金项目一大型天线结构系统优化设计的支持，文中对结构系统优化设计进行了初步的探讨，取得了一些有益的结果。主要包括以下几个方面: 1.提出了基于遗传算法思想的结构系统优化方法，将各类设计参数(结构类型、结构拓扑、形状及截面变量)统一考虑，使得设计人员能够完成对结构各层次变量的同步优化设计。 2.分析比较了拓扑优化设计中存在的两类方法一进化法和退化法的特点，针对现有进化法存在的问题，提出了一种新的进化式布局优化设计方法一三角网格进化法，通过数值实验验证了该方法的有效性。 3.首次提出将结构类型作为设计变量，建立了结构类型优化设计模型，数值试验结果说明了模型与方法的正确性与有效性。 4.首次提出了结构支撑优化问题，将结构支撑条件划分为支撑位置优化和支撑类型优化两个层次，提出了结构支撑条件优化设计的策略与方法，并将其应用于典型数值算例的计算，取得了合理的结果。 关键词:等效模型可展开天线索网结构几何非线性等效模量布局优化系统优化拓扑 动力优化遗传算法类型优化支撑条件
史创[8]2015年在《大型环形桁架式可展开天线机构设计与分析》文中研究说明近年来,对地观测、空间通信、深空探测、载人航天等事业的发展异常迅猛,对轻量化、大尺度、几何稳定性高的空间大型可展开天线机构的需求大大增加。大型可展开环形桁架式天线机构由于其折叠比大、刚度高、质量不随天线口径增加而大幅度增加等优点在航天工程中有越来越多的应用。因此,在太空能够顺利展开并具备足够刚度的空间大型可展开天线机构成为了保证天线系统正常工作的关键。本文在分析现有大口径可展开天线机构的基础上,总结并提出了7种可以构成环形桁架机构的基本展开单元,建立了综合评价指标及单双层环形桁架机构基频经验公式,在此基础上,进行了天线机构构型优选,创新性的提出了提高超大口径双层可展开天线机构展开后基频的设计方案。基于能量等效原理,将双层天线机构的折展单元进行等效建模,得到了表征双层天线结构动力学特性的等效连续体模型,将其与有限元分析结果进行比对,证实了该等效方法的正确性,从而简化了天线机构的力学特性分析过程。通过分析双层环形桁架节点的受力情况,得出了对角拉索预紧力的取值范围,建立相应的有限元模型,分析了含索和无索两种状态的天线机构,分别得出了各阶固有频率及其相应的模态振型,对比分析了采用对角斜拉索刚化结构的必要程度。通过对影响双层机构固有频率的因素进行灵敏度分析,得出了改善天线机构振动频率的有效措施。结合前面的分析结论,对内外层环形桁架机构进行了结构优化设计,并对双层可展开环形桁架的驱动与同步机构进行详细设计,实现了双层环形桁架重复展开与收拢功能。研制了含弹性铰链口径2m的单层环形桁架式可展开天线机构原理样机与双层单元机构原理样机,对两种样机的展开功能和动力学特性进行了试验验证。
郝蓓[9]2006年在《星载大型可展开天线创新结构设计及其三维参数化建模》文中研究表明论文通过对国内外星载大型可展开天线结构的概述和分类,从创新概念设计的角度提出了一种新型的星载大型可展开天线折叠环肋展开结构方案,并对该方案进行了详细的结构设计与三维参数化建模。基于星载大型可展开天线的特点和设计原则,本文系统地描述了该新型方案的结构设计与参数化建模过程：●陈述了国内外星载大型可展开天线的发展历程和天线结构形式的发展趋势,将国内外的天线发展现状进行了比较,分析了我国在卫星可展开天线方面的不足,说明了创新结构设计的必要性与迫切性。●对国内外现有空间可展开天线的结构形式进行了概述和分类,陈述了不同类型天线各自的优缺点,在分析总结的基础上,提出了一种新型的折叠环肋展开结构,并对天线整体结构形式进行了基于功能分析的概念设计。在此基础上将天线物理结构和功能结构进行分解、组合,确定了可展开天线的整体和关节的结构形式。●在Pro/Engineer环境下对天线的圆环结构和肋结构进行了详细设计和单元的三维参数化建模,包括：同步齿轮的设计、扭簧的设计、锁定结构的设计、紧固板的设计等。并为各个子单元之间添加相应的约束条件,对天线的圆环结构和肋结构进行了装配。●在结构分析的基础上,提出了天线结构的改进方案并陈述了改进方案改进点和必要性,在方案一参数化设计建模的基础上通过改变相关参数和装配特征,再生得到改进关节的单元实体模型,并装配了圆环结构、肋结构和天线整体结构模型。●在装配基础上对Pro/Engineer进行二次开发,利用Pro/Program模块对天线整体结构进行参数化建模,并举实例对参数化模型进行了检验。●运用Pro/Mechanic模块对天线的圆环结构和肋结构进行运动学仿真,通过回放仿真结果,查看天线结构的展开和收拢过程是否存在干涉,说明了设计可行性。
杨要恩[10]2008年在《基于智能结构的大型可展开天线在轨控制研究》文中研究说明近几十年来,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。
参考文献：
[1]. 环形可展开天线展开动力学分析及智能控制研究[D]. 李春贵. 西北工业大学. 2006
[2]. 大型天线同步起吊控制系统的设计[D]. 罗凡. 合肥工业大学. 2017
[3]. 大型空间可展开天线压电智能结构研究[D]. 刘士华. 西安电子科技大学. 2005
[4]. 桁架可展天线展开过程分析、控制及试验[D]. 刘亮. 浙江大学. 2010
[5]. 大型网状可展开天线的动力学与控制研究进展[J]. 刘丽坤, 周志成, 郑钢铁, 田强. 中国空间科学技术. 2014
[6]. 空间大型可展开天线的控制研究[D]. 刘春霞. 西安电子科技大学. 1999
[7]. 大型星载可展开天线的动力优化设计与工程结构的系统优化设计[D]. 罗鹰. 西安电子科技大学. 2004
[8]. 大型环形桁架式可展开天线机构设计与分析[D]. 史创. 哈尔滨工业大学. 2015
[9]. 星载大型可展开天线创新结构设计及其三维参数化建模[D]. 郝蓓. 西安电子科技大学. 2006
[10]. 基于智能结构的大型可展开天线在轨控制研究[D]. 杨要恩. 西安电子科技大学. 2008
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