航天器太阳能帆板的主动振动控制研究

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航天器太阳能帆板的挠性振动会对航天器的姿态稳定度和指向精度产生严重影响,甚至有可能造成结构的破坏。因此,对航天器太阳能帆板的挠性振动进行主动振动控制具有重要的现实意义。然而,航天器太阳能帆板的主动振动控制一直都是工程界和学术界关注的一大难题。目前,国外关于该领域的关键技术未见公开发表,国内的相关研究也处于研究探索阶段。本文针对航天器太阳能帆板的主动振动控制问题,从理论推导,数值仿真和地面实验三个方面,系统深入地研究了航天器太阳能帆板的主动振动控制机理、动力学建模与模型降阶、自适应前馈和正位置反馈振动控制系统设计与仿真、地面主动振动控制实验验证等问题。本文主要研究内容具体阐述如下:本文首先在对压电材料有深入了解的基础上,分析推导了压电智能结构振动控制的作用机理,并给出了作动器的位置布局的优化准则,为后续的结构动力学建模奠定了坚实的理论基础。针对太阳能帆板的简化模型,利用有限元分析方法构建了简化模型的动力学方程,对得到的动力学方程进行了算例验证,为了方便控制器的设计,对得到的高维振动控制系统进行了降阶处理。针对太阳能帆板的主动振动抑制问题,设计了自适应滤波前馈控制器和正位置反馈控制器,并分别对两种控制系统进行了数值仿真,仿真结果显示,自适应前馈控制器将前两阶共振的幅值分别降低了78.5%和90.5%,正位置反馈控制器将前两阶共振的幅值降低分别了97.6%和97.8%,并且正位置反馈控制方法对于同时含有前两阶共振频率的多频信号干扰也有很好的控制效果。将自适应滤波前馈控制与正位置反馈控制同时作用构成复合振动控制系统,仿真结果说明了复合振动控制系统不仅保留了正位置反馈控制在共振频段范围内有较好的抑制振动效果特性,并且消除了共振频段范围之外的振幅增加的弊端,使单一控制系统的性能得到了很大提升。多模态下的正位置反馈控制系统的稳定性会由于结构模态频率的不精确性受到影响,甚至由于模态频率的不精确会使系统发散,因此针对不精确的模态频率给出了具有鲁棒性的正位置反馈控制器的设计方法,并且通过仿真说明所提出的鲁棒正位置反馈控制器设计方法的有效性。最后,针对自适应滤波前馈控制算法原理对硬件系统的次级通道进行了辨识,开展了自适应滤波前馈控制和正位置反馈控制对于压电悬臂梁结构前两阶共振的主动振动抑制实验,验证了控制理论的正确性以及控制方法的有效性。
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