基于智能結(jié)構(gòu)的大型可展開天線在軌控制研究.pdf

1、近幾十年來，由于通信、空間科學(xué)、地球觀測事業(yè)迅猛發(fā)展，對高精度的網(wǎng)狀展開天線的需求越來越迫切，所以大型空間網(wǎng)狀展開天線及其反射面精度控制技術(shù)就成為大型空間天線研究的一個熱門課題而受到世界各宇航公司和研究單位的關(guān)注。而振動是引起天線反射面精度下降的一個及其重要的原因。因此，必須對其振動進行控制。 智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展，為反射面振動控制問題提供了新的思路，顯示出特有的生命力。因而，本文主要結(jié)合智能結(jié)構(gòu)的新思想，提出了基于光纖傳感器、

2、壓電作動器及H∞混合靈敏度控制器的大型可展開天線反射面在軌振動控制的智能結(jié)構(gòu)，并圍繞其關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究。主要工作如下： (1)在全面綜合當(dāng)前智能材料結(jié)構(gòu)研究發(fā)展成果的基礎(chǔ)上，針對可展開天線反射面在軌振動控制問題，提出了采用光纖傳感器/壓電作動器/H∞控制器可展開天線縱向調(diào)整索反射面精度控制智能結(jié)構(gòu)的新方案，并對其關(guān)鍵技術(shù)進行了設(shè)計。 (2)通過對索網(wǎng)結(jié)構(gòu)幾何非線性的分析研究，建立了某周邊桁架式可展開天線結(jié)構(gòu)的非線性靜

3、力分析與動力分析計算模型，將其應(yīng)用于實際天線結(jié)構(gòu)的計算中，取得了合理的計算結(jié)果。 (3)應(yīng)用壓電方程和彈性力學(xué)方程建立了含壓電作動器的可展開天線智能結(jié)構(gòu)機電耦合有限元方程及動力方程，從而，建立了含智能結(jié)構(gòu)振動控制的模型。針對受控對象模型不確定性和受擾動的特點，采用H∞混合靈敏度控制方法設(shè)計控制器。 (4)針對可展開天線中壓電作動器的位置優(yōu)化問題，提出了一種較為簡便且有效的位置優(yōu)化方法。該方法既考慮了外部激勵力對候選單元位

4、置處的響應(yīng)的大小和應(yīng)變能的大小，也考慮了可能配制智能結(jié)構(gòu)的候選位置處作動力對響應(yīng)的敏感程度。并把三者結(jié)合在一起，得到每一個單元的總的可控度指標(biāo)，這個指標(biāo)的最大值決定了智能結(jié)構(gòu)的位置。并通過控制器仿真進行了驗證。 (5)針對可展開天線反射面振動控制智能結(jié)構(gòu)中的測試問題，采用先進的光纖法珀(英文簡寫為F-P)傳感器的傳感測試技術(shù)。從光纖F-P傳感器的理論模型出發(fā)，對光纖F-P傳感器的應(yīng)變傳感機理進行了較系統(tǒng)的理論分析與研究。研究了使

5、用此傳感測試系統(tǒng)實現(xiàn)縱向調(diào)整索預(yù)應(yīng)力及振動監(jiān)測的理論和方法。設(shè)計了采用光纖法珀傳感器可展開天線縱向調(diào)整索傳感測試系統(tǒng)，建立了多模光纖傳感測試系統(tǒng)中傳感器的信噪比理論模型；完成了該測試系統(tǒng)的信號采集與處理部分的軟硬件設(shè)計；最后對所設(shè)計的傳感測試系統(tǒng)進行了試驗標(biāo)定。結(jié)果表明：該測試系統(tǒng)具有測試精度和靈敏度高、測試系統(tǒng)簡單、測試性能穩(wěn)定等優(yōu)點。所設(shè)計的測試系統(tǒng)已初步具備了實驗室使用的條件。 (6)以某大型可展開天線模型為例，采用所設(shè)計

6、的壓電作動器/H∞控制器可展開天線縱向調(diào)整索反射面精度控制智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行了控制器仿真。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠使振動在極短的時間內(nèi)得到有效抑制，且采用H∞控制理論設(shè)計的控制器在筆者提出的傳感器/作動器位置優(yōu)化處控制效果最好。從而證明了本文設(shè)計的控制器的有效性和位置優(yōu)化理論的正確性。采用所設(shè)計的光纖傳感測試系統(tǒng)進行縱向調(diào)整索的靜、動態(tài)特性測試，并與傳統(tǒng)測試方法及理論值進行了對比。 結(jié)果表明，基于光纖傳感器縱向調(diào)整索智能