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空間探測柔性伸桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)與控制 版權(quán)信息
- ISBN:9787030713551
- 條形碼:9787030713551 ; 978-7-03-071355-1
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
空間探測柔性伸桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)與控制 內(nèi)容簡介
本書面向空間探測領(lǐng)域的應(yīng)用需求,基于主被動復(fù)合驅(qū)動的思想提出一種大伸展/收攏比、小自重/負(fù)載比、無褶皺伸展的可重復(fù)展開/伸縮的機(jī)構(gòu)。進(jìn)一步,為了抑制伸桿的彈性振動及其對衛(wèi)星本體姿態(tài)的影響,本書推導(dǎo)了帶柔性伸桿機(jī)構(gòu)小衛(wèi)星的動力學(xué)方程,設(shè)計了一種復(fù)合振動控制策略,并對所設(shè)計的控制方法進(jìn)行了半物理仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 本書適合高等院校航空航天、固體力學(xué)、機(jī)械工程和儀器儀表等專業(yè)的研究生學(xué)習(xí),也可供航天、機(jī)械、精儀等領(lǐng)域的科研人員和工程技術(shù)人員參考。
空間探測柔性伸桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)與控制 目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 空間伸桿機(jī)構(gòu)簡介 1
1.2 空間伸桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)問題 6
1.3 空間伸桿機(jī)構(gòu)的振動控制方法 8
1.3.1 反饋控制 8
1.3.2 前饋控制 13
第2章 空間伸桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化與仿真分析 17
2.1 引言 17
2.2 空間伸桿機(jī)構(gòu)的功能需求分析 17
2.3 空間伸桿機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性分析 19
2.3.1 彈簧鉸鏈的力矩特性分析 19
2.3.2 柔性伸桿的力學(xué)特性分析 21
2.4 空間伸桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)匹配研究 24
2.4.1 空間伸桿機(jī)構(gòu)的能量流分析 24
2.4.2 空間伸桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 27
2.5 空間伸桿機(jī)構(gòu)的有限元仿真 32
2.5.1 空間伸桿機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析 32
2.5.2 空間伸桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析 35
2.5.3 空間伸桿機(jī)構(gòu)的能量分析 39
2.6 小結(jié) 41
第3章 空間伸桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)建模 42
3.1 引言 42
3.2 空間伸桿機(jī)構(gòu)的完整動力學(xué)模型 42
3.3 空間伸桿機(jī)構(gòu)的簡化動力學(xué)模型 46
3.4 動力學(xué)模型的不確定性分析 49
3.5 小結(jié) 49
第4章 空間伸桿機(jī)構(gòu)的魯棒自適應(yīng)控制方法研究 51
4.1 引言 51
4.2 問題描述 51
4.3 空間伸桿機(jī)構(gòu)的控制方法 53
4.3.1 魯棒自適應(yīng)控制器的設(shè)計 53
4.3.2 控制器穩(wěn)定性分析 54
4.4 空間伸桿機(jī)構(gòu)伸展/收攏的數(shù)值仿真 56
4.4.1 仿真條件設(shè)置 56
4.4.2 仿真結(jié)果分析 58
4.5 小結(jié) 63
第5章 空間伸桿機(jī)構(gòu)的伸展/收攏實(shí)驗(yàn)研究 64
5.1 引言 64
5.2 空間伸桿機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)平臺 64
5.2.1 空間伸桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 65
5.2.2 空間伸桿機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計 69
5.2.3 空間伸桿機(jī)構(gòu)的軟件程序設(shè)計 70
5.3 空間伸桿機(jī)構(gòu)伸展/收攏的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 72
5.4 小結(jié) 76
第6章 帶柔性伸桿機(jī)構(gòu)小衛(wèi)星的耦合動力學(xué)模型 77
6.1 引言 77
6.2 基于控制力矩陀螺的小衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型 77
6.3 帶柔性伸桿機(jī)構(gòu)小衛(wèi)星的耦合動力學(xué)模型 81
6.4 小結(jié) 86
第7章 帶柔性伸桿機(jī)構(gòu)小衛(wèi)星的振動控制方法研究 87
7.1 引言 87
7.2 柔性伸桿機(jī)構(gòu)的振動控制方法研究 87
7.2.1 *優(yōu)指令整形技術(shù) 87
7.2.2 基于*優(yōu)指令整形器的柔性伸桿振動控制 91
7.3 小衛(wèi)星本體振動控制方法研究 92
7.3.1 自適應(yīng)擾動抑制濾波器工作原理分析 92
7.3.2 基于自適應(yīng)擾動抑制濾波器的小衛(wèi)星本體振動控制 96
7.4 小衛(wèi)星的模態(tài)不敏感機(jī)動規(guī)劃方法研究 96
7.5 帶柔性伸桿機(jī)構(gòu)小衛(wèi)星的振動控制仿真研究 99
7.5.1 振動控制方法的穩(wěn)定性分析 100
7.5.2 帶撓性伸桿機(jī)構(gòu)小衛(wèi)星振動控制方法的數(shù)值仿真 103
7.6 小結(jié) 107
第8章 基于控制力矩陀螺的振動控制半物理仿真實(shí)驗(yàn)研究 109
8.1 引言 109
8.2 基于控制力矩陀螺的半物理實(shí)驗(yàn)平臺 109
8.3 小衛(wèi)星振動控制的半物理仿真實(shí)驗(yàn)研究 114
8.3.1 *優(yōu)指令整形器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 115
8.3.2 復(fù)合振動控制方法的半物理實(shí)驗(yàn) 117
8.4 小結(jié) 123
參考文獻(xiàn) 124
附錄A 130
附錄B 136
空間探測柔性伸桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)與控制 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 空間伸桿機(jī)構(gòu)簡介 空間探測和對地觀測技術(shù)已經(jīng)成為人類觀測、認(rèn)知地球和太空的主要手段,也是當(dāng)今世界高速發(fā)展和激烈競爭的高技術(shù)領(lǐng)域。近年來,隨著現(xiàn)代微機(jī)電等技術(shù)的快速發(fā)展,利用多微納探測器(微納衛(wèi)星集成外伸探測載荷或傳感器平臺)編隊(duì)進(jìn)行多點(diǎn)、原位、分布式空間探測,可以完成單點(diǎn)大衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)的科學(xué)任務(wù),具有中小尺度分辨率、整體性和動態(tài)性等優(yōu)點(diǎn),已成為國內(nèi)外空間科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。與此同時,為了滿足探測任務(wù)的需求,避免航天器平臺本身對空間信息信號的干擾,必須采用伸桿機(jī)構(gòu)支撐各類探測載荷或傳感器遠(yuǎn)離衛(wèi)星本體,以保證探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和空間信息的精確度。伸桿機(jī)構(gòu)具有質(zhì)量輕、功耗低、操作性好、結(jié)構(gòu)緊湊等良好性能,是空間科學(xué)探測、天基遙感系統(tǒng)等領(lǐng)域的支撐性技術(shù),具有重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。 空間探測載荷伸桿機(jī)構(gòu)屬于空間展開機(jī)構(gòu),其概念是由美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)在20世紀(jì)60年代首先提出的,其發(fā)展與衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)緊密。昀早的空間伸桿機(jī)構(gòu)是自旋衛(wèi)星上的展開天線,后來出現(xiàn)可折疊式太陽翼和重力梯度穩(wěn)定的衛(wèi)星。套筒式、折疊式、桁架式展開機(jī)構(gòu)相繼得到廣泛的應(yīng)用。隨著大型航天器的發(fā)展,又出現(xiàn)充氣式展開機(jī)構(gòu)。目前,空間伸桿機(jī)構(gòu)在空間機(jī)構(gòu)領(lǐng)域中的應(yīng)用昀為廣泛[1]。 空間展開機(jī)構(gòu)具有收攏狀態(tài)和展開狀態(tài),并能在收攏狀態(tài)和展開狀態(tài)之間變化。收攏時,空間展開機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)體積較小,需要時可展開至工作狀態(tài),其末端可以攜帶探測載荷,具有重量輕、體積小、定向性好等特點(diǎn)[2]。總的來講,空間展開機(jī)構(gòu)可以分為有源展開機(jī)構(gòu)與無源展開機(jī)構(gòu)。無源展開機(jī)構(gòu)一般用彈簧鉸鏈的驅(qū)動力實(shí)現(xiàn)連接、展開與鎖定等功能。在該方面,目前國外的主要航天大國都已經(jīng)擁有成熟的技術(shù),可實(shí)現(xiàn)一次或多次展開技術(shù)[3,4]。有源展開機(jī)構(gòu)通常以電機(jī)為主要動力源,提供展開所需的能量,近十年來發(fā)展迅速。其典型的應(yīng)用是搭載探測載荷的伸桿機(jī)構(gòu),按結(jié)構(gòu)形式主要分為以下幾種。 (1)伸縮式伸桿機(jī)構(gòu) 伸縮式伸桿機(jī)構(gòu)(圖1-1)由一系列同心的圓柱形薄管組成,可以一個疊一個地收縮在一起,展開后有一部分重疊,類似電視機(jī)的天線。伸縮式伸桿機(jī)構(gòu)通常在小衛(wèi)星等航天器上廣泛應(yīng)用。伸縮式伸桿機(jī)構(gòu)一般采用碳纖維復(fù)合材料,昀長可達(dá)到25m。例如,德國設(shè)計了展開長度大于20m的伸縮式伸桿機(jī)構(gòu),使用的正是套筒式結(jié)構(gòu)[5]。為了使伸縮式伸桿機(jī)構(gòu)有足夠的剛度,必須保證一定的重疊長度和壁厚,因此這種伸桿比較笨重,而且長度上也受到限制。 圖1-1 伸縮式伸桿機(jī)構(gòu) (2)桁架式展開機(jī)構(gòu) 桁架式展開機(jī)構(gòu)(圖1-2)也是一種大型的空間伸展機(jī)構(gòu),主要包括盤壓式和鉸接式。盤壓式伸桿臂結(jié)構(gòu)昀早由美國公司研制,由盤壓桿、支撐盤、貯存筒,以及鎖定釋放裝置等組成。鉸接桿伸展機(jī)構(gòu)通常由縱向、橫向桿件和鉸鏈等組成,具有精度較高、剛度好、結(jié)構(gòu)效率高等特點(diǎn)。這兩種桁架式伸桿機(jī)構(gòu)在航天器中都得到廣泛應(yīng)用[6,7],例如,美國 TRW公司研制了大型折疊式太陽翼,日本科學(xué)研究所研制了大型天線陣,美國 Loral公司研制了太陽帆,日本千葉大學(xué)研制了重力梯度桿等[1]。 (3)充氣式展開機(jī)構(gòu) 充氣式展開機(jī)構(gòu)(圖1-3)由類似氣球的柔性薄膜組成,可以實(shí)現(xiàn)充氣展開。空間充氣薄膜結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)包括質(zhì)量輕、伸縮比大、可靠性高等,克服了傳統(tǒng)展開機(jī)構(gòu)的諸多缺點(diǎn)。充氣式展開機(jī)構(gòu)一般用于太陽翼、天線反射器、氣閘艙等大型次結(jié)構(gòu)體。NASA和 L. Garde公司從20世紀(jì)50年代開始,就先后在美國的回聲一號(Echo I)等衛(wèi)星上應(yīng)用了充氣式展開結(jié)構(gòu)。美國 ARISE(Advanced Radio Interferometer between Space and Earth)天文觀測衛(wèi)星中就采用充氣式展開機(jī)構(gòu),其口徑有25m[8]。但是,空間充氣展開機(jī)構(gòu)也有它的缺點(diǎn),如結(jié)構(gòu)容易硬化等。 圖1-2 桁架式展開機(jī)構(gòu) 圖1-3 充氣式展開機(jī)構(gòu) (4)薄壁管式伸桿機(jī)構(gòu) 薄壁管式伸桿機(jī)構(gòu)(圖1-4)利用薄壁殼的彈性變形實(shí)現(xiàn)伸桿的展開與收攏,主要應(yīng)用于小型航天器的重力梯度桿等。薄壁管式伸桿機(jī)構(gòu)主要分為 STEM(storable extendable tubular member)和 Bi-STEM(Bi-storable extendable tubular member)。STEM昀早由加拿大研制成功,利用薄壁材料的卷曲特性實(shí)現(xiàn)展開和收攏(圖1-4(b))。Bi-STEM是STEM的衍生結(jié)構(gòu),將一個 STEM嵌放在另一個STEM的內(nèi)部(圖1-4(c))。其優(yōu)點(diǎn)在于,Bi-STEM比STEM在相同展開寬度的情況下,具有更小的存儲體積,另外在機(jī)械性能、彎曲剛度和抗扭剛度方面更有優(yōu)勢[9,10]。 圖1-4 薄壁管式伸桿機(jī)構(gòu) 折疊管狀桿(collapside tube mast,CTM)也是 STEM的衍生結(jié)構(gòu),是把兩個 STEM結(jié)構(gòu)的邊緣粘在一起(圖1-4(d)),形成對稱層壓的開口柱面殼形狀,可以利用折疊時積聚的應(yīng)變能實(shí)現(xiàn)鉸鏈的展開,同時展開后又能夠靠自身的剛度提供鎖定力。德國宇航研究院成功研制了由碳纖維增強(qiáng)塑料作為支撐骨架的可伸展式太陽帆,其展開口徑達(dá)14m(圖1-5)[11-15]。 圖1-5 CTM薄壁管式伸桿機(jī)構(gòu) 近年來,隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展,美國的 Roybal等[16]和 Thomas[17]提出不同截面形狀的空間薄壁管式伸桿機(jī)構(gòu)(triangular retractable and collapsible TRAC),如圖1-6所示。其截面形狀為人字形,在相同的存儲體積下與 STEM桿相比,具有更大的彎曲剛度。 圖1-6 薄壁管式伸桿機(jī)構(gòu) 上面幾種空間伸桿機(jī)構(gòu)比較如表1-1所示。 表1-1 幾種空間伸桿機(jī)構(gòu)比較 現(xiàn)有的空間伸桿機(jī)構(gòu)大多采用電機(jī)等主動驅(qū)動裝置來實(shí)現(xiàn),無法克服伸展過程易褶皺且能耗高等不足。傳統(tǒng)的基于彈簧鉸鏈等被動驅(qū)動源的伸桿機(jī)構(gòu),雖然體積小、重量輕,但存在伸展/收攏不可控,并且精度差等缺陷,通常僅適用于一次性展開機(jī)構(gòu)。單一的驅(qū)動源都難以滿足大展開/伸縮比、小自重/負(fù)載比、高重復(fù)精度的性能要求,因此相關(guān)機(jī)構(gòu)都競相研究基于新型復(fù)合材料和帶狀彈簧非線性鉸鏈的伸桿機(jī)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)[18]。 在這方面,楚中毅等[19]基于彈簧鉸鏈(被動驅(qū)動源)與電機(jī)(主動驅(qū)動源)復(fù)合驅(qū)動思想,提出一種CTM形式的伸桿機(jī)構(gòu),以適應(yīng)小型化的特點(diǎn)。 在完成空間伸桿機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)選型之后,如何合理匹配空間伸桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)成為亟待解決的問題。通常的解決方法有經(jīng)典法與有限元法。經(jīng)典法基于靜/動力學(xué)分析理論,通過校核伸桿機(jī)構(gòu)機(jī)械性能來滿足設(shè)計指標(biāo),昀終確定各設(shè)計變量。 Yao等[20]基于π定理考慮強(qiáng)度約束,對大型球面望遠(yuǎn)鏡的四根支撐操作桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配設(shè)計。Jiang等[21]在充分研究平行操作桿動力學(xué)特性的基礎(chǔ)上,優(yōu)化設(shè)計了操作桿的結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)果與理論分析相符。但是,傳統(tǒng)的參數(shù)匹配方法在設(shè)計過程中不能改變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),而且不適合非線性優(yōu)化問題,會縮小優(yōu)化的范圍。有限元法可以克服經(jīng)典法的缺點(diǎn),不但適用于非線性過程,而且求解精度也相對較高。德國宇航研究院的 Sickinger等[22]和 Block等[23]對太陽帆空間伸桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的有限元分析,優(yōu)化匹配了結(jié)構(gòu)參數(shù),并通過地面/空間實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)果。國內(nèi)的學(xué)者也對類似的伸桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析,并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[24-30]。然而,有限元方法十分依賴計算機(jī)的運(yùn)算速度,仿真過程往往需要幾個小時到幾十小時,計算的復(fù)雜性成為一個難題。如何考慮必要的設(shè)計約束,高效準(zhǔn)確地優(yōu)化設(shè)計變量是系統(tǒng)參數(shù)匹配研究的關(guān)鍵。 1.2 空間伸桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)問題 近些年來,隨著空間科學(xué)、深空探測事業(yè)的迅猛發(fā)展,國內(nèi)也提出對質(zhì)量輕、成本低、體積緊湊、節(jié)能高效空間展開機(jī)構(gòu)的迫切需求,許多學(xué)者開展了相關(guān)的理論分析研究,但大多局限于多體動力學(xué)理論本身,或者基于小變形假設(shè)條件且多限于平面問題。雖然研究成果豐碩,但側(cè)重點(diǎn)在中心體-伸桿的耦合系統(tǒng)上,而對空間探測伸桿自身的特性和基礎(chǔ)性問題挖掘不夠。對于攜帶科學(xué)探測載荷的空間伸桿機(jī)構(gòu)而言,存在變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、時變性、強(qiáng)耦合、解析求解困難等特點(diǎn),伸桿機(jī)構(gòu)的展開/收縮動力學(xué)特性是分析問題的關(guān)鍵。因此,亟須開展相關(guān)方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究,為空間伸桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計和控制應(yīng)用提供有力的支撐。 空間伸桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)建模方法主要有 Newton-Euler法、Hamilton法、Kane法和 Lagrange法等。其中 Lagrange法昀為實(shí)用。 Lagrange建模方法的關(guān)鍵是如何精確描述伸桿動能與勢能,其中彈簧的彈性勢能、系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系成為具體建模過程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 在伸桿展開/收縮的過程中,彈簧鉸鏈除作為伸桿展開的導(dǎo)引,以及自鎖裝置外,還是復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)的重要組成單元,對其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性的分析是準(zhǔn)確預(yù)估伸桿展前、展后靜動態(tài)特性的基礎(chǔ)[31],因此國內(nèi)外學(xué)者深入開展了相關(guān)的建模與分析工作,關(guān)于僅受縱向?qū)ΨQ彎曲影響的關(guān)節(jié)鉸鏈非線性特征已經(jīng)得到大量的研究。在這方面, Soykasap[32,33]提出二維展開/折疊性能的解析分析方法,對鉸鏈準(zhǔn)靜態(tài)展開力矩-旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系及其展開動力學(xué)行為進(jìn)行了仿真分析,但僅限于平面問題。 Guest等[34]基于標(biāo)準(zhǔn)的扭轉(zhuǎn)理論建立了彎、扭組合作用下的折疊、展開模型。王俊等[35]基于彈性力學(xué)的薄殼彎曲理論建立純彎屈曲情況下的簡化力學(xué)模型,得到帶狀彈簧展開驅(qū)動力矩與轉(zhuǎn)角呈理想線性關(guān)系的表達(dá)式。但鉸鏈與展開附件的質(zhì)心很難實(shí)現(xiàn)理想垂直安裝,會產(chǎn)生三維折疊/展開,因此鉸鏈運(yùn)動是毋庸置疑的三維空間運(yùn)動,包含扭轉(zhuǎn)變形,并且有非線性耦合作用,不能簡單處理為包含等效扭轉(zhuǎn)彈簧影響的兩端固支鉸鏈。近幾年這方面的研究也
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