零重力環(huán)境模擬氣動(dòng)懸掛系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、為了模擬低頻空間結(jié)構(gòu)在地面進(jìn)行動(dòng)力學(xué)測(cè)試時(shí)的零重力環(huán)境，研制出一種高精度的氣動(dòng)懸掛系統(tǒng)，解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所涉及的氣動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。 首先，設(shè)計(jì)了基于內(nèi)部供壓節(jié)流孔支撐的氣懸浮無(wú)摩擦氣缸，提出了基于非支配排序遺傳算法的氣缸結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化方法。 然后，采用兩級(jí)閥芯的活塞式結(jié)構(gòu)，研制了一種高精度的氣動(dòng)比例壓力閥，其穩(wěn)態(tài)壓力控制精度高達(dá)0.25KPa。建立了氣動(dòng)懸掛系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，分析了各系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)靜/動(dòng)態(tài)特性、控制性

2、能和垂直懸掛頻率的影響，并提出基于高精度壓力傳感器和比例閥的恒壓魯棒控制方法。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣動(dòng)懸掛系統(tǒng)的總摩擦力小于0.0098N，穩(wěn)態(tài)壓力波動(dòng)小于25Pa，實(shí)現(xiàn)了無(wú)摩擦、高精度的設(shè)計(jì)要求，證明了系統(tǒng)方案的可行性和有效性。 論文的主要內(nèi)容如下： 第一章，介紹了地面零重力環(huán)境模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、主要特點(diǎn)和使用范圍，總結(jié)了懸掛系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究狀況，闡述了氣動(dòng)懸掛系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中所涉及的氣動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)及其相關(guān)的研究進(jìn)展，最

3、后概述了本課題的研究意義和研究?jī)?nèi)容。 第二章，基于氣體潤(rùn)滑的基本原理設(shè)計(jì)了基于內(nèi)部供壓節(jié)流孔支撐的氣懸浮式無(wú)摩擦氣缸；建立了活塞和缸壁間隙內(nèi)的氣體壓力分布、氣體泄漏流量和活塞徑向承載能力的數(shù)學(xué)模型，仿真分析了氣缸壓力、缸筒與活塞間隙以及活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)氣缸性能的影響；提出了一種基于非支配排序遺傳算法的氣缸結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了氣缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配優(yōu)化。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型的正確性和優(yōu)化方法的有效性。 第三

4、章，設(shè)計(jì)了一種高精度氣動(dòng)比例壓力閥，采用兩級(jí)閥芯的活塞式結(jié)構(gòu)，以比例電磁鐵為控制元件，電反饋閉環(huán)控制，該閥輸出壓力為0～0.5MPa，穩(wěn)態(tài)精度高達(dá)0.25KPa。建立了比例閥的非線性動(dòng)態(tài)模型，分析了主要物理和幾何參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和控制性能的影響；構(gòu)建輸出因子調(diào)整的模糊自適應(yīng)比例加積分控制器，并利用ATmega16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了壓力設(shè)定范圍內(nèi)的快速高精度控制。最后，對(duì)比例壓力閥的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 第四章，建立了比例壓力閥控制的

5、氣動(dòng)懸掛系統(tǒng)的完整數(shù)學(xué)模型，仿真分析了氣源壓力和溫度、儲(chǔ)氣罐容積、連接管路長(zhǎng)度和直徑等關(guān)鍵物理參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和控制性能的影響，推導(dǎo)了氣動(dòng)懸掛系統(tǒng)垂直懸掛頻率的理論模型，分析了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)于垂直懸掛頻率的影響。 第五章，提出了氣動(dòng)懸掛系統(tǒng)的高精度壓力控制方法，采用高精度比例閥作為氣動(dòng)控制元件，使用高精度壓力傳感器檢測(cè)氣缸壓力進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，并提出了兩種高性能的魯棒控制策略，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在模型參數(shù)變化和外部擾動(dòng)時(shí)的高精度恒壓控制，

6、最終穩(wěn)態(tài)壓力波動(dòng)小于26Pa。第一種控制方案將智能控制技術(shù)引入到控制器設(shè)計(jì)中，提出了基于比例壓力閥的智能復(fù)合控制算法，并采用實(shí)數(shù)編碼遺傳算法對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行整定優(yōu)化。第二種方案則采用比例流量閥控制，采用輸入輸出線性化方法導(dǎo)出了系統(tǒng)的二階標(biāo)稱(chēng)模型，設(shè)計(jì)了基于觀測(cè)器和等效控制的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器。最后，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種控制器的動(dòng)、靜態(tài)特性和魯棒性進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。 第六章，研制了基于雙無(wú)摩擦氣缸驅(qū)動(dòng)的氣動(dòng)懸掛系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，詳細(xì)設(shè)