悬吊式零重力模拟系统的水平位置随动技术研究

摘要

卫星、航天飞船与空间机器人等航天器可靠性的提高很大程度上依赖于地面低（零）重力模拟实验。相对于落塔法、抛物线飞行法、水浮法和气浮法等地面低重力模拟方法，利用悬吊法进行重力补偿更加有效、可靠和经济。在悬吊式零重力模拟系统中，悬吊点位置的主动跟随控制技术是保证吊索竖直和消除系统干扰的一项关键技术，是提高系统模拟精度的关键。针对模拟悬浮对象在零重力场中的运动，本课题研究悬吊点的水平位置随动技术，包括两项主要研究内容：可消除系统干扰的随动控制方法研究和目标体位置高精度、高频率的测量方法研究，其中目标体位置测定是为了给随动控制提供反馈输入量。
　　在随动控制方法的研究方面，首先概述系统总体设计方案，基于拉格朗日方法建立随动悬吊模块的5自由度三维动力学方程，根据模型特点进行线性简化。利用模型线性简化后的对称性和解耦性，得出可用于随动控制研究的3自由度二维线性模型；分析验证模型的能控与能观测性，并且通过仿真分析，验证模型的有效性，分析系统的动力学特性。
　　为消除系统对漂浮目标的运动干扰，提出一种基于干扰力对时间积分为零的随动控制方法，在此基础上推导水平随动控制律。为介绍随动控制，首先概述二维随动系统的机械传动与电控设计方案，然后构造基于调节吊索摆角的随动控制系统。针对随动悬吊模块谐振频率低的特点，采用速率反馈方法避免在较宽的系统带宽内激发受控对象共振；利用经典控制理论设计一个具有较强的稳定性和合适带宽的摆角调节控制器。仿真结果表明，随动控制系统能快速地跟上实验目标体，消除干扰效果，并可承受连续冲击，证明了控制器的有效性与鲁棒性。
　　针对实现目标体位置的高精度、高帧频测量要求，提出基于PSD和激光自准直技术的吊索空间摆角测定方案，建立该测量系统的数学模型。通过对测量系统的仿真分析，得到理想像点的分布曲面、PSD平面测量像点的轨迹和测量原理非线性等规律，并且验证了测量模型的正确性；最后，为说明测量方案的可行性，进行测量系统的误差分析，通过建模分析PSD安装误差和反射镜安装误差的影响规律并提出了抑制误差的措施，可为位置测定系统的工程化提供设计依据。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 悬吊式低重力模拟系统的研究概况

1.3 动态微小角度光学测量方法的研究概况

1.4 本文的主要研究内容

第2章 随动悬吊系统动力学建模

2.1系统概况

2.2 基于拉格朗日方法的动力学建模

2.3 模型特性分析

2.4 本章小结

第3章 基于干扰冲量为零的随动控制方法研究

3.1 二维随动系统设计

3.2 基于干扰力时间积分为零的随动控制方法

3.3 随动控制系统设计

3.4 控制器设计

3.5 控制器仿真分析

3.6 本章小结

第4章 基于PSD的吊索空间摆角测定方法研究

4.1 基于PSD的角度测定方案设计

4.2 基于PSD与自准直的角度测量的原理

4.3 测量系统数学模型建立

4.4 测量模型仿真分析

4.5 系统测量误差分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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