空间运动可控多自由度隔振平台的动力学研究

摘要

随着生产技术及控制理论的发展，空间开发及探测活动使航天器及其所携带的精密设备要求轨道支撑平台具有超静意义上的力学环境，由于卫星上太阳能电池板的运动以及卫星姿态变化会对敏感载荷产生影响，使得卫星上一些高精度、高稳定度的装置不能正常工作，因此，具有振动隔离能力的试验平台开始被研究并应用。本文以空间运动可控多自由度隔振平台为研究对象，分析六自由度Stewart平台的主动隔振特点，基于牛顿—欧拉法建立了空间运动可控多自由度隔振Stewart平台在惯性坐标系下的动力学模型，设计主被动隔振控制方法，对隔振效果进行仿真分析，以验证平台能够稳定在目标位置以及其良好的隔振性能。本文的工作主要有以下三点：
　　首先，介绍隔振技术及空间隔振技术的原理及发展。通过支腿结构的不同提出隔振平台结构设计的三种构型：弹簧—阻尼器组成的阻尼隔振系统、弹簧—阻尼与作动器组成的主被动一体化隔振系统以及作动器输出力提供主动隔振系统；建立Stewart平台在本体坐标系下的动力学模型，并对模型进行仿真计算。
　　其次，建立本文主要研究的模型。以基台固定在卫星上的Stewart平台为研究对象，分析空间卫星在轨运行的轨道和姿态特点，利用牛顿—欧拉法和多个坐标转换矩阵之间的转换关系建立广义地球惯性坐标系下空间运动可控多自由度Stewart隔振平台的动力学模型。对所建立的动力学模型进行隔振分析，考虑阻尼隔振支腿的结构特点，并对阻尼结构平台进行了仿真分析，仿真验证该结构的隔振效果。
　　最后，对于动力学模型的支腿结构进行控制器设计，并建立主动隔振控制系统。根据主动隔振平台任务空间初始和期望的位置及指向，建立广义条件下作动器输出主动力来完成平台由初始到达期望位置过程中的主动定位模型；在基台上施加正弦波和随机信号扰动来模拟空间振动环境，通过任务空间及驱动空间的关系采用任务空间状态反馈来仿真出隔振平台的姿态及方位姿态的变化趋势，分别对采用阻尼隔振形式、主被动联合控制以及主动隔振三种情况下的隔振效果进行仿真及比较，从而验证哪种方法更加适合于空间隔振控制。

目录

空间运动可控多自由度隔振平台的动力学研究

DYNAMICAL RESEARCH OF SPACE MOTIVECONTROLABLE MULTI-DOF VIBRATIONISOLATION PLATFORM

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪论

1.1 课题的背景目的与意义

1.2 隔振技术及隔振平台的研究

1.2.1 隔振技术的研究现状

1.2.2 隔振平台与作动器的研究

1.3 Stewart 平台国内外研究现状

1.3.1 六自由度Stewart 平台隔振装置的研究

1.3.2 Stewart 平台理论的研究现状

1.3.3 Stewart 平台应用研究

1.4 本文主要的研究内容

第2 章 空间运动可控隔振平台的设计

2.1 空间运动可控多自由度隔振平台的设计

2.1.1 隔振平台的构型

2.1.2 支腿的结构设计

2.2 隔振平台的坐标转换矩阵与雅克比矩阵

2.2.1 隔振平台空间坐标定义及转换矩阵

2.2.2 Stewart 平台的雅克比矩阵

2.3 本章小结

第3 章 Stewart 隔振平台的动力学分析

3.1 质点系Newton-Eular 动力学方程

3.2 卫星的轨道与姿态方程

3.2.1 Stewart 平台的卫星轨道方程

3.2.2 空间运行Stewart 平台的卫星姿态方程

3.3 卫星姿态响应曲线

3.4 Stewart 平台的动力学建模

3.4.1 支腿的运动学分析

3.4.2 支腿动力学分析

3.4.3 隔振平台动力学方程

3.5 本章小结

第4 章 空间多自由度隔振平台的动力学建模

4.1 Stewart 平台的空间定位

4.1.1 空间坐标系的定义

4.1.2 空间坐标转换矩阵定义

4.1.3 坐标转换矩阵的求解

4.2 动力学模型的建立

4.2.1 支腿的运动学方程

4.2.2 支腿的动力学方程

4.2.3 平台的动力学方程

4.3 空间隔振平台的阻尼控制

4.3.1 正弦扰动的阻尼隔振仿真

4.3.2 大阻尼隔振仿真

4.4 本章小结

第5 章 空间多自由度运动可控隔振平台动力学仿真

5.1 反馈控制系统的设计原理

5.2 反馈控制算法

5.2.1 任务空间运动状态的反馈

5.2.2 驱动空间的运动状态的反馈

5.2.3 任务空间和驱动空间的运动状态的方程

5.3 Stewart 定位平台的主动定位

5.4 主被动一体化隔振控制

5.4.1 正弦扰动指向隔振

5.4.2 随机信号扰动隔振控制

5.5 主动与主被动联合隔振控制

5.5.1 正弦扰动指向隔振

5.5.2 随机信号扰动指向隔振

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢