三轴气浮平台调平衡系统的研究

摘要

三轴气浮平台是卫星地面仿真的重要设备之一，它使用一个空气球轴承为核心部件，靠高压气膜支撑台体实现三自由度的自由转动，可以模拟太空微阻尼环境。为实现太空中微重力环境，需要在三轴气浮平台上建立一套调平衡系统，用于调节台体运动过程中的不平衡力矩。目前气浮台调平衡系统研究的核心集中在调节台体的重力不平衡力矩（由台体的固有质心偏移产生的力矩），使用复摆运动模型为基础的动力学模型，通过复摆周期公式来估测台体固有质心偏移量，这样使得调节时间很长；而且由于系统模型中没有考虑其他的干扰力矩，如球轴承安装误差产生的常值干扰力矩以及台体弹性变形不平衡力矩（由弹性变形形成的台体质心偏移产生的力矩）等，影响了调平衡精度的提高。国内对三轴气浮平台的研究起步刚刚开展不久，相关的各项研究都不深入。因此研究三轴气浮平台调平衡系统对于三轴气浮台仿真技术有着至关重要的意义。
　　本文使用欧拉角的描述方法构建了三轴气浮平台的动力学模型，分析了复摆模型的适用条件。在此基础上研究了重力不平衡力矩的计算方法，包括使用复摆模型结合台体自然平衡角度来计算台体固有质心偏移的静态计算方法，以及动力学反演计算方法。详细研究了积分步长、积分区域以及积分起始时刻对动力学反演计算方法误差的影响。仿真表明动力学反演计算方法能有效地计算台体质心偏移，耗时短，适用范围广。
　　随着调节精度的提高，除重力不平衡力矩外的干扰力矩对台体的影响逐渐显现。本文针对几种常见的干扰力矩：包括脉冲干扰力矩、常值干扰力矩，弹性变形不平衡力矩以及高频干扰力矩，研究了它们对台体运动的影响。对同时存在以上干扰力矩的情况，提出了基于动力学反演的求解方法和基于小波变换的识别方法。对常值型的干扰力矩提出了引入轴承倾斜力矩补偿的措施；对弹性变形不平衡力矩设计了调节机构。
　　在考虑弹性变形不平衡力矩和重力不平衡力矩的情况下，对台体的残余不平衡力矩进行了研究，研究发现台体具有极限周期和极限不平衡力矩的特性。极限不平衡力矩的大小主要取决于弹性变形不平衡力矩的补偿情况以及最大工作角度。研究表明当重力不平衡力矩和弹性变形不平衡力矩方向相反时可以相互部分补偿，从而可降低调节难度；弹性变形残余力矩系数为负更有利于提高台体性能。
　　研制了三轴气浮平台调平衡系统，包括姿态测算系统和调节机构两部分。姿态测算系统由传感器、下位机和上位机组成，其中传感器和下位机放置在气浮平台浮起部分上，上位机放置在控制室中，完成姿态测算和控制指令的计算,通过无线网络进行数据传输，下位机完成数据的采集和输出。调节机构分为调节质心偏移的调节机构和补偿弹性变形的调节机构。在此平台上进行了质心偏移计算和补偿的试验，干扰力矩计算和补偿的试验以及极限周期调节的试验。通过计算质心偏移和干扰力矩，给出相应的调节和补偿量，经过调节之后，台体的质心偏移和干扰力矩都减少，平台运动周期延长，证明了此调平衡系统的有效性。

目录

三轴气浮平台调平衡系统的研究

Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 三轴气浮平台的现状和发展

1.3 三轴气浮平台调平衡技术的研究概况

1.4 本文的主要研究内容

第2章 三轴气浮平台动力学分析

2.1 欧拉角及坐标变换矩阵

2.2 欧拉角速度方程

2.3 气浮平台动力学模型的建立

2.4 动力学模型的简化

2.5 平台运动特性分析

2.6 本章小结

第3章 重力不平衡力矩的分析和调节

3.1 质心位置的静态计算方法

3.2 质心位置的动态计算方法

3.3 重力不平衡力矩的调节方法

3.4 仿真研究

3.5 本章小结

第4章 干扰力矩的分析

4.1 几种典型的干扰力矩

4.2 干扰力矩对系统的影响

4.3 干扰力矩的计算

4.4 干扰力矩的辨识

4.5 部分干扰力矩的抑制措施

4.6 本章小结

第5章 考虑重力和弹性变形共同作用的调平衡方法的研究

5.1 三轴气浮平台调平衡系统的建立

5.2 调平衡步骤

5.3 极限不平衡力矩和极限周期

5.4 仿真研究

5.5 本章小结

第6章 实验研究

6.1 实验系统

6.2 基于Mallat算法的离散小波滤波方法

6.3 调平衡过程及结论

6.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历