六自由度磁懸浮隔振系統(tǒng)及其力學(xué)特性研究.pdf

1、近年來航天技術(shù)飛速發(fā)展，人類對(duì)宇宙的探索不斷深入，利用空間微重力環(huán)境進(jìn)行的科學(xué)活動(dòng)越來越多，如深空探測(cè)、激光通訊、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等。而航天器會(huì)受到太陽光壓、大氣阻力、變軌、姿態(tài)調(diào)整、航天器內(nèi)設(shè)備振動(dòng)等各種擾動(dòng)的影響，這些低頻微幅振動(dòng)成為影響空間高分辨率對(duì)地成像精度、重力梯度測(cè)量精度以及空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的首要因素。目前我國尚沒有研制出能直接應(yīng)用的空間低頻微振動(dòng)隔離裝置，相關(guān)研究還處于起步階段，有很多關(guān)鍵性技術(shù)亟待突破。
　　本文首先

2、從機(jī)械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)三個(gè)方面提出了六自由度磁懸浮隔振系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)流程。利用非接觸式的主動(dòng)控制方法，基于洛倫茲力原理，以滿足電氣系統(tǒng)電流分辨率的力常數(shù)為校核指標(biāo)，以磁感應(yīng)強(qiáng)度最大以及線圈質(zhì)量、熱耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化了永磁體和線圈的尺寸，設(shè)計(jì)了滿足作動(dòng)力需求的輕質(zhì)量、低熱耗、線性度較好的作動(dòng)器結(jié)構(gòu)。開展了六自由度磁懸浮隔振平臺(tái)構(gòu)型設(shè)計(jì)，進(jìn)行了多個(gè)作動(dòng)器空間布局設(shè)計(jì)，建立了用于控制的力、力矩與電流分配模型，獲得了浮動(dòng)平臺(tái)與作

3、動(dòng)器之間的映射關(guān)系?；诩铀俣扔?jì)和位置傳感器的測(cè)量原理，研究了加速度計(jì)和相對(duì)位置傳感器的布局方式，建立了系統(tǒng)的六自由度絕對(duì)加速度和六自由度相對(duì)位姿測(cè)量模型，為振動(dòng)控制過程中有效信息的獲取提供了理論基礎(chǔ)。
　　研究了磁懸浮隔振系統(tǒng)柔性線纜的振動(dòng)傳遞特性?？紤]線纜的柔性、大變形特性，基于彈性細(xì)桿的力學(xué)模型，建立了柔性線纜的多自由度非線性力學(xué)模型。采用微分求積算法求解了線纜受到正弦擾動(dòng)作用下傳遞到端部的擾動(dòng)力和擾動(dòng)力矩，獲得了擾動(dòng)力、擾

4、動(dòng)力矩與擾動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系，并擬合出線纜的等效動(dòng)力學(xué)模型。分析了不同擾動(dòng)頻率、不同擾動(dòng)幅值以及不同初始構(gòu)型對(duì)傳遞到線纜端部的擾動(dòng)力和擾動(dòng)力矩的影響，研究了線纜等效動(dòng)力學(xué)模型的適用性。設(shè)計(jì)了包含線纜位姿調(diào)整模塊、激勵(lì)模塊和采集模塊的線纜動(dòng)態(tài)特性測(cè)試裝置，驗(yàn)證了線纜的非線性力學(xué)模型的正確性以及通過擬合的方法獲取線纜的等效動(dòng)力學(xué)模型是準(zhǔn)確可行的。
　　融合線纜的等效動(dòng)力學(xué)模型、作動(dòng)器的力電磁模型，建立了面向控制的六自由度磁懸浮隔振系統(tǒng)非

5、線性動(dòng)力學(xué)模型。由于系統(tǒng)具有非線性、寬頻帶的特點(diǎn)，基于采集系統(tǒng)獲得的浮動(dòng)平臺(tái)的絕對(duì)加速度信息以及浮動(dòng)平臺(tái)與基座之間的相對(duì)位姿信息，提出了雙閉環(huán)控制策略，設(shè)計(jì)了相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制器和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制器。分別采用了線性PID控制算法和非線性滑?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)兩種控制器，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下開發(fā)了六自由度控制系統(tǒng)仿真程序，通過仿真實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)不同種類擾動(dòng)的隔振控制功能以及對(duì)低頻擾動(dòng)的跟蹤控制功能，為系統(tǒng)試驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。