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柔性空间可展开天线的结构与控制集成设计

作　者: 张逸群
导　师: 段宝岩
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 空间天线可展开天线多柔体动力学柔性振动轨迹规划控制解耦机构基频集成设计
分类号: V443.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

针对空间可展开天线多种因素对展开过程的平稳、准确性影响，本文进行了系统而深入的研究。主要工作如下：1.应用瑞利-里兹法于柔性构件建模，并从柔性多体系统动力学的角度出发，推导了单元的动能、势能、应变能以及相应的一致质量阵、刚度阵和阻尼阵的表达式，基于拉格朗日第二方程建立了可展开天线系统的展开过程动力学模型。进行了动力响应分析，给出了可展开天线在展开过程中的响应曲线，通过与多刚体动力学模型的仿真试验对比，明确了天线展开过程中的动力学特性及非线性因素对展开过程的影响机理，为展开过程控制系统设计提供了依据。2.利用Bezier曲线合成驱动索的输入轨迹，通过天线运动学关系式，导出了天线展开过程的运动输出轨迹。研究了通过改变Bezier曲线控制点位置得到不同展开轨迹的可行性，继而通过设置合理的目标函数和约束条件，得到天线最优展开轨迹，既可保证天线角加速度的连续性，又可降低其峰值。最后，研究了展开过程中间匀速段不等式的约束条件，通过数值仿真，得知展开过程保持中间匀速运动会导致天线所受冲击过大，而展开过程应是一个无中间匀速状态的先加速后减速过程，对工程实际有一定指导意义。3.针对柔性因素带来的展开过程振动问题，提出了一种基于滤波的解耦控制方法。首先，将机构转化为多个瞬时结构进行研究，通过考察瞬时结构基频随展开角度的变化规律，确定了“机构基频”关键位置选取的准则。其次，应用低通滤波器将天线运动反馈分解为纯刚体运动和柔性振动两部分。然后，研究了滤波器截止频率的确定准则，针对不同反馈信号的刚、柔控制器的设计准则，以及两组控制器参数之间的耦合关系及选取准则。4.探索了天线结构与展开轨迹、天线结构与控制器设计、展开轨迹与控制器设计之间的相互关系，提出了可展开天线结构、展开轨迹及控制系统的集成设计模型。以天线杆件横截面积、Bezier曲线控制点参数及控制器增益参数同时作为设计变量，以减小天线质量、天线在展开过程中所受冲击和展开过程误差累积为目标函数，在满足固有频率、强度、控制系统‘稳准快’等约束条件下，得到最优的综合系统设计方案。5.设计制作了2m口径的周边桁架索网可展开天线实物模型，进行了模态、形面精度以及展开过程等试验研究。通过试验结果与仿真结果进行比较，验证了本文中结构及展开过程设计方法的合理性与正确性。同时，通过对展开过程中索网形态的测量，分析了索网张力对于天线展开过程的影响规律，提出了对该天线模型的修正方法。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
主要符号表  9-15
第一章绪论  15-39
  §1.1 论文选题背景和意义  15-16
  §1.2 国内外可展开反射面天线现状  16-23
    §1.2.1 刚性反射面天线  17-18
    §1.2.2 充气反射面天线  18-19
    §1.2.3 网状反射面天线  19-21
    §1.2.4 薄膜反射面天线  21-23
  §1.3 柔性多体系统控制与设计现状  23-33
    §1.3.1 柔性多体系统动力学简介  23-24
    §1.3.2 柔性多体系统控制  24-28
    §1.3.3 柔性多体系统控制方法  28-29
    §1.3.4 柔性多体系统控制应用  29-30
    §1.3.5 传感器与驱动器  30-32
    §1.3.6 结构与控制集成设计  32-33
  §1.4 可展开天线展开过程控制与设计动态  33-35
  §1.5 本文主要工作  35-39
第二章空间可展开天线展开过程柔性多体动力学分析  39-65
  §2.1 引言  39-40
  §2.2 可展开天线结构组成及简化模型  40-41
  §2.3 可展开天线展开过程运动学分析  41-47
  §2.4 可展开天线柔性多体系统动力学分析  47-60
  §2.5 案例分析与讨论  60-63
  §2.6 小结  63-65
第三章可展开天线展开过程的轨迹设计  65-85
  §3.1 引言  65-66
  §3.2 Bezier 曲线概述  66-72
  §3.3 Bezier 曲线拟合展开轨迹方法  72-73
  §3.4 基于优化的平稳展开过程轨迹设计方法  73-80
  §3.5 案例仿真与分析  80-84
  §3.6 小结  84-85
第四章基于滤波的可展开天线展开过程控制系统设计  85-103
  §4.1 引言  85-86
  §4.2 基于滤波的反馈信号解耦方法  86-92
    §4.2.1 反馈信号的 FFT 变换  87-88
    §4.2.2 反馈信号的刚柔解耦  88
    §4.2.3 解耦频率的选择  88-91
    §4.2.4 滤波器设计  91-92
  §4.3 可展开天线控制系统设计  92-99
    §4.3.1 刚性控制器设计  93-94
    §4.3.2 柔性控制器设计  94-95
    §4.3.3 控制器耦合关系和参数选择  95-97
    §4.3.4 仿真试验与控制器效果分析  97-99
  §4.4 案例仿真与分析  99-101
  §4.5 小结  101-103
第五章可展开天线多态结构设计  103-117
  §5.1 引言  103-104
  §5.2 柔性机构频率特性分析  104-107
  §5.3 柔性机构频率特性灵敏度分析及优化方法  107-111
  §5.4 可展开天线多态结构优化模型  111-114
  §5.5 案例仿真与分析  114-115
  §5.6 小结  115-117
第六章可展开天线结构与控制集成设计初探  117-129
  §6.1 引言  117-118
  §6.2 结构与控制集成设计模型  118-121
  §6.3 可展开天线结构与控制集成设计  121-124
  §6.4 案例仿真与分析  124-127
  §6.5 小结  127-129
第七章周边桁架索网可展开天线实物模型及试验研究  129-153
  §7.1 引言  129
  §7.2 2m 口径可展开天线实物模型研制  129-134
    §7.2.1 天线基本参数确定  129-131
    §7.2.2 零部件结构设计及加工  131
    §7.2.3 重力卸载装置设计  131-133
    §7.2.4 展开过程控制系统设计  133-134
  §7.3 结构仿真与试验对比  134-141
    §7.3.1 形面精度分析与试验  135-139
    §7.3.2 模态分析与试验  139-141
  §7.4 展开过程试验  141-151
    §7.4.1 展开过程仿真与试验对比  141-146
    §7.4.2 索网对展开过程的影响  146-151
  §7.5 小结  151-153
第八章总结与展望  153-157
致谢  157-159
参考文献  159-179

柔性空间可展开天线的结构与控制集成设计

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