基于Stewart平台的微振动控制分析与实验研究

摘要

航天器微振动干扰是影响航天器的指向精度和观测分辨率的重要因素。由于航天器力学环境极为复杂和特殊，而且振动微小，控制难度很大。同时，太空使用环境对振动控制系统的复杂性、可靠性、稳定性等方面都有特殊而严格的要求。国内外针对微振动干扰的问题已经提出了许多措施，包括各种主被动隔振方案。本文基于Stewart平台，研究了一种微振动主动隔振系统，对有效载荷进行多自由度振动主动控制。通过对隔振平台运动学和动力学的分析，建立了Stewart隔振平台的控制模型，采用以DSP为核心的控制器，利用自适应主动控制算法进行主动控制，并通过实验验证了隔振平台对轴向方向干扰和转角方向干扰的隔振性能。本文的结构和主要研究内容如下：
　　第一章：介绍了论文的研究背景、研究意义，基于现有文献，总结了国内外微振动技术的研究现状，尤其是对基于Stewart平台的微振动隔离技术进行了详细的介绍，并给出了论文的研究内容。
　　第二章：提出了一种立方体结构的Stewart平台，其具有正交对称，作动器之间的耦合最小的优点。详细求解了一般Stewart平台的运动学，包括其反解，和具有重要意义的雅克比矩阵的推导过程。并针对立方体结构的Stewart隔振平台，得到了其杆长与平台姿态的雅克比矩阵。介绍了基于频响函数的子结构综合法的基本内容，并利用该方法求解了Stewart隔振平台的动力学，建立了隔振平台的传递特性。基于以上理论分析，采用压电驱动作动器为主动控制元件，设计搭建了一个立方体主动隔振平台。
　　第三章：研究Stewart隔振平台的自适应主动控制策略，采用Fx-LMS算法抵消干扰，对平台进行主动控制。介绍了所使用的自适应算法的基本原理，包括最小均方根理论，归一化的改良LMS算法，Fx-LMS算法原理和系统辨识的原理。并结合求出的动力学模型，利用MATLAB对混频，随机干扰进行了仿真，验证自适应算法。仿真结果表明，自适应算法可以有效地抑制干扰。
　　第四章：针对航天器微振动隔离环境的要求，选择了OMAP-L138DSP芯片为核心的控制板作为主动控制处理器。介绍了所使用的OMAP-L138控制板的性能和参数，编写了基于Fx-LMS的主动控制算法，对A/D，D/A，系统辨识，主动控制模块进行了测试和仿真。仿真结果表明，DSP板卡可以有效地对干扰进行主动控制。
　　第五章：搭建Stewart隔振平台，以测试平台对干扰的主动控制效果。介绍了主动隔振实验所需的设备并对实验布置进行了说明。测试了实验场地的背景噪声，结果表明背景振动满足实验要求，微振动实验有足够的信噪比。验证了隔振平台6个压电棒的增益以及对应的频带宽度，接着通过压电棒控制输入来校正压电棒与隔振平台雅克比矩阵。对Stewart隔振平台进行的主动控制实验结果表明在Z轴向方向上，对20Hz-100Hz内的具有代表性的单频有24dB以上的衰减，对20Hz-60Hz带宽的随机激励有6.98dB的衰减，对于30Hz和70Hz的混频隔振性能良好。对于绕X轴转角方向上的具有代表性的单频干扰有14dB以上的衰减。
　　第六章：对全文工作进行总结，指出论文中存在的不足以及需要进一步研究的内容等。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究的背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3论文主要研究内容和结构

第二章 Stewart隔振平台的运动学和动力学建模

2.1引言

2.2立方体结构的Stewart平台

2.3 Stewart平台的运动学建模

2.4 Stewart隔振平台的机械结构

2.5 Stewart隔振平台的动力学建模

2.6子结构综合法和有限元法对于Stewart隔振平台建模对比

2.7本章小结

第三章 自适应算法在Stewart隔振平台主动隔振中的应用

3.1引言

3.2自适应Fx-LMS算法的基本理论

3.3立方体Stewart平台自适应控制仿真

3.4本章小结

第四章 基于OMAP-L138的Stewart隔振平台的控制系统

4.1引言

4.2 OMAP-L138平台概况

4.3 OMAP-L138控制板系统

4.4利用DEC138板卡进行的测试和算法仿真

4.5本章小结

第五章 Stewart隔振平台的主动控制实验与分析

5.1引言

5.2实验布置与设备

5.3实验测试

5.4本章小结

第六章 总结和展望

6.1全文总结

6.2主要创新

6.3研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文