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)活動越來越多，如深空探測、激光通訊、空間科學(xué)實驗等。而航天器會受到太陽光壓、大氣阻力、變軌、姿態(tài)調(diào)整、航天器內(nèi)設(shè)備振動等各種擾動的影響，這些低頻微幅振動成為影響空間高分辨率對地成像精度、重力梯度測量精度以及空間站科學(xué)實驗結(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)三個方面提出了六自由度磁懸浮隔振系統(tǒng)總體方案設(shè)計流程。利用非接觸式的主動控制方法，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)計了滿足作動力需求的輕質(zhì)量、低熱耗、線性度較好的作動器結(jié)構(gòu)。開展了六自由度磁懸浮隔振平臺構(gòu)型設(shè)計，進(jìn)行了多個作動器空間布局設(shè)計，建立了用于控制的力、力矩與電流分配模型，獲得了浮動平臺與作

3、動器之間的映射關(guān)系?；诩铀俣扔嫼臀恢脗鞲衅鞯臏y量原理，研究了加速度計和相對位置傳感器的布局方式，建立了系統(tǒng)的六自由度絕對加速度和六自由度相對位姿測量模型，為振動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作用下傳遞到端部的擾動力和擾動力矩，獲得了擾動力、擾

4、動力矩與擾動參數(shù)之間的關(guān)系，并擬合出線纜的等效動力學(xué)模型。分析了不同擾動頻率、不同擾動幅值以及不同初始構(gòu)型對傳遞到線纜端部的擾動力和擾動力矩的影響，研究了線纜等效動力學(xué)模型的適用性。設(shè)計了包含線纜位姿調(diào)整模塊、激勵模塊和采集模塊的線纜動態(tài)特性測試裝置，驗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力學(xué)模型是準(zhǔn)確可行的。
　　融合線纜的等效動力學(xué)模型、作動器的力電磁模型，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)獲得的浮動平臺的絕對加速度信息以及浮動平臺與基座之間的相對位姿信息，提出了雙閉環(huán)控制策略，設(shè)計了相對運(yùn)動狀態(tài)控制器和絕對運(yùn)動狀態(tài)控制器。分別采用了線性PID控制算法和非線性滑模控制算法設(shè)計兩種控制器，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下開發(fā)了六自由度控制系統(tǒng)仿真程序，通過仿真實現(xiàn)了系統(tǒng)對不同種類擾動的隔振控制功能以及對低頻擾動的跟蹤控制功能，為系統(tǒng)試驗提供了理論指導(dǎo)。