悬吊式低重力模拟系统研究

摘要

随着登月活动的日益频繁，需要开展的航天任务也变得多种多样，如宇航员在月球上漫步，月球车探测仪在月球地面上开展探测活动，建设及维护空间站。由于外太空恶劣的自然环境，这些在地球上很容易完成的任务，在月球上变得异常艰难。在众多影响因素中，低重力对宇航员和探测仪的影响是不可忽视的。月球上的低重力环境会严重影响宇航员的行走及操作，以及一系列的生理和心理活动。同时，重力场的改变对月球车、空间机器人等机械装置的影响是显而易见的，由于动力输入输出的不同，如果不经过严格的设计，这些机械装置在月球上可能直接损坏。所以，在登陆月球之前，严格的低重力模拟试验是必不可少的。通过低重力模拟试验，可以训练宇航员在低重力环境下的行走作业技巧，同时可以检验月球车和空间机器人设计的合理性。
　　本文简单设计了低重力模拟系统中的恒拉力系统，包括对电机、卷筒、绳索等的参数选取与设计。对恒拉力系统选取的永磁同步电机的 SVPWM控制进行了仿真分析，同时建立带负载永磁同步电机矢量控制数学模型，得到系统速度控制模型。对于恒拉力系统，设计相位超前位置控制器。提出采用力位混和控制策略，设计了PI力控制器，并在Simulink中进行了低重力模拟的仿真。简化了低重力模拟系统的模型，将绳索离散成若干个质量-弹簧-阻尼单元，然后在 Adams中对简化后的系统进行建模仿真，研究了绳索长度、阻尼和刚度参数对系统性能的影响，给出低重力模拟试验选取绳索的依据。简单研究了水平随动系统的控制策略，提出PD控制器和李雅普诺夫非线性控制器相结合，在补偿水平位移偏差的同时，抑制系统的摇摆能量，使系统保持稳定。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外低重力模拟系统的研究现状

1.3 本文的研究内容

第二章 恒拉力系统建模及仿真

2.1 悬吊式低重力模拟系统介绍

2.2 恒拉力系统的建模

2.3 恒拉力系统的仿真

2.4 本章小结

第三章 恒拉力系统控制策略研究

3.1 恒拉力系统位置控制策略

3.2 恒拉力系统力位混合控制策略

3.3 本章小结

第四章 绳索对系统性能的影响研究

4.1 低重力系统的简化假设

4.2 绳索质量-弹簧-阻尼单元分析

4.3 系统的动力学方程

4.4 系统动力学仿真分析

4.5 水平随动系统控制策略研究

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献