基于压电元件的帆板振动抑制控制系统设计与实验分析

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随着航天探索的不断深入，对航天器的大型化和轻质化不断提出新的要求，太阳翼、天线等呈现越来越多的柔性；另一方面，高精度的对地定向和深空观测等应用需求又要求航天器具有高的姿态控制精度、小的振动扰动等。在这种需求背景下，挠性附件的动力学特性，特别是挠性附件振动对航天器本体的扰动显得尤为重要，为了提高航天器姿态控制精度，需要对挠性附件的动力学深入地分析，研究挠性附件对航天器姿态控制等的耦合影响，在此基础上实现对挠性结构的振动抑制。
　　振动抑制可以采用被动或主动的方式实现。被动振动抑制通过改善材料、结构提高挠性附件的刚度，或者通过改变姿态机动控制策略，减小对挠性附件的激励。被动振动抑制的效率很有限，为此，人们提出了主动振动抑制的方法。采用主动振动抑制时，需要在挠性附件上安装作动器和传感器，通过传感器敏感挠性附件的变形，通过作动器去消除或减小挠性附件的变形，从而达到对挠性附件振动控制的目的。
　　基于压电元件的挠性结构振动抑制技术已有许多理论研究，并进行了试验验证，但试验采用的结构基频均较高，而针对低频的大挠性结构的振动抑制技术研究较少。本文针对太阳能电池板等大挠性结构进行分析，建立了简化的挠性层叠板有限元模型，根据应变最大准则设计了贴片方式和贴片位置；确定了由压电执行器到压电传感器的结构传递函数形式及存在截断模态下的传递函数形式，使用最小二乘非线性优化的方法获得了结构传递函数；根据结构传递函数，为了实现整板的振动抑制，设计了新的控制系统结构，设计了基于正向位置反馈控制器（PPF）的振动抑制控制系统；建立了结构动力学和控制联合仿真模型，使用该模型对三种干扰输入形式下控制系统对板振动的抑制能力进行了考核，分析数据，验证了PPF控制律对大挠性结构的有效性；设计挠性振动抑制技术试验平台方法，搭建了试验平台，根据试验平台所采用板结构的实际情况，提出了非对位控制的PPF控制系统的设计方法，实现了对试验板的振动抑制，试验结果表明，非对位控制情况下，针对大挠性结构，PPF控制器有一定的控制效果。

著录项

作者
袁秋帆;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科航天工程
授予学位硕士
导师姓名赵钧;
年度 2014
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类姿态控制系统;
关键词
航天器; 帆板结构; 振动抑制控制系统; 优化设计; 压电元件; 姿态控制;

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