航天器太阳翼驱动诱发振动的磁流变力矩补偿抑制研究

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太阳翼系统是航天器在轨运行时的主要供能装置,其振动问题在航天领域研究中受到广泛关注,其中太阳翼对日定向驱动诱发的微振动已成为制约高精度航天器的姿态稳定和指向精度的关键问题之一。驱动诱发太阳翼微振动的传统控制方法一般从驱动稳定性角度出发,通过对驱动机构施加振动控制算法进行振动抑制,这类研究往往缺乏振动对航天器干扰的显式评估,且复杂的振动控制算法增加了对日定向驱动控制的干涉,增大了太阳翼对日定向工作的失效风险。为此,国内外许多学者基于外部作动器对太阳翼的振动控制进行研究,而基于磁流变的振动控制装置以其响应快、能耗低、易于控制、失效保护性好等众多优点,是一种非常有前景的振动抑制作动器。本文针对太阳翼系统对日定向的不平稳驱动诱发的微振动问题,提出了一种基于盘式磁流变作动器的主动力矩补偿抑振方案,具体围绕太阳翼系统振动及其干扰的建模分析、磁流变作动器用于太阳翼振动抑制的可行性、磁流变作动器的设计与控制等方面展开研究,对抑制不平稳驱动诱发太阳翼振动,提高航天器的姿态稳定及指向精度具有重大意义。论文的主要研究内容如下:(1)分析了不平稳驱动下考虑刚柔耦合作用的太阳翼系统振动及其对航天器平台的干扰:基于现有太阳翼系统动力学模型,考虑太阳翼系统约束问题,利用牛顿第三定律对航天器平台、驱动机构和太阳翼进行受力分析,得到航天器平台所受的力及力矩与太阳翼的约束及驱动之间的关系,建立了显式描述航天器平台受太阳翼振动干扰的动力学模型;依据所建立的模型,对驱动诱发的太阳翼旋转振动、柔性振动及振动干扰展开系统分析,揭示了太阳翼振动对航天器干扰的产生机理;并进一步分析了驱动机构参数变化对振动干扰的影响,为驱动诱发太阳翼微振动的抑制提供理论基础。(2)研究了兼顾可靠性与有效性的基于磁流变作动器的太阳翼振动抑制:分析磁流变作动器的设计、装配及附加质量对太阳翼系统的影响,确定了一套实施性强的磁流变作动器嵌入控制方案;在此基础上建立了含磁流变作动器的太阳翼系统动力学模型,并进行频谱分析,研究系统的阻尼特性,分析磁流变作动器控制失效时的失效保护性;在磁流变作动器良好控制条件下,提出了基准值偏移的主动控制的力矩补偿策略,考虑太阳翼系统不确定性,设计了基于MCS算法的力矩补偿控制器,仿真分析了在主动力矩补偿下的太阳翼振动抑制。(3)进行了考虑离心作用及磁流变液滞流区的旋转盘式磁流变作动器精细化设计:针对旋转盘式磁流变装置,考虑离心作用对旋转剪切运动的磁流变液的影响,运用应力分解方法修正了传统的三维磁流变液本构模型;在此基础上考虑磁流变液工作间隙中滞流区的影响,推导了旋转盘式磁流变装置精细化设计的力矩计算模型,并分析工作间隙中磁流变液的应力边界,研究了应力求解方法;结合力矩计算模型与磁路分析方法,计算了磁流变作动器磁路关键尺寸,并采用MATLAB与ANSYS联合仿真的方法,对所设计的磁流变作动器进行磁路仿真与优化;通过与样机性能分析实验结果对比验证了提出的磁流变装置精细化设计方法的有效性。(4)提出了一种基于多项式前馈加滑模反馈的磁流变作动器力矩跟踪控制方法:结合磁流变液Bingham本构模型与τy-B特性,建立了磁流变作动器输出力矩关于控制电流的多项式模型,并逆向推导了控制模型,通过测试数据对多项式模型进行了参数辨识和模型的验证与分析;在此基础上,提出了以力矩跟踪误差为输入的离散滑模反馈补偿策略,结合振动抑制期望补偿力矩的周期变化特点,采用变控制参数的分段式滑模控制方法,设计了基于多项式前馈加滑模反馈的控制器,并试验验证了控制器力矩跟踪的准确性;采用设计的控制器进行了太阳翼振动抑制硬件在环试验研究,验证了基于磁流变作动器力矩补偿的太阳翼振动抑制的有效性。
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