含ACLD結構太陽能電池翼動力學建模與振動控制研究

【摘要】： 大型撓性太陽能電池翼的振動控制是航天器動力學與控制領域的挑戰(zhàn)性課題。大撓性太陽能電池翼的大跨度、輕質量、低剛度的結構特點,導致其具有低頻率、弱阻尼、模態(tài)密集的動力學特性。航天器的軌道和姿態(tài)機動以及復雜的空間環(huán)境干擾,都可能引發(fā)大撓性太陽能電池翼的振動。由于太陽能電池翼結構阻尼弱,空間環(huán)境也無大氣阻尼,使得太陽能電池翼的振動很難衰減。這些振動將影響航天器的姿態(tài)穩(wěn)定和定位精度,嚴重時還可能導致航天任務的失敗。因此,必須對電池翼進行振動控制,然而,常規(guī)的控制方法和經(jīng)典的控制理論已經(jīng)難以適應大撓性太陽能電池翼振動控制的需求。本文正是在這樣的背景下,展開大撓性太陽能電池翼結構動力學研究,提出了太陽能電池翼的主動約束阻尼(Active Constrained Layer Damping,ACLD)振動控制方式,以及基于LMI的多目標魯棒振動控制系統(tǒng)設計的理論和方法,并進行了深入的探討和研究。主要內容如下: (1)根據(jù)太陽能電池翼的結構特點,簡化為:單板、單框架板、多板鉸接、多框架板鉸接和中心剛體+板五種模型。在此基礎上,建立了含ACLD結構的太陽能電池翼動力學模型。編制相應的有限元分析程序,并將計算所得特征值和頻率響應與Msc.Nastran軟件的計算結果進行對比,驗證了模型的正確性。 (2)直接從影響粘彈性層剪切變形的角度分析了ACLD結構位置對太陽能電池翼模態(tài)阻尼因子的影響,并據(jù)此給出了簡易地確定ACLD結構位置的方法。 (3)研究了具有主動約束阻尼結構的動力學模型降階問題。由于粘彈性阻尼材料的存在,使得平衡降階和動力縮聚兩類廣泛應用的模型降階方法不再適用。論文改進了Krylov子空間模型降階方法,并結合Krylov子空間降階方法和平衡降階方法的優(yōu)點,提出了復合降階方法。從特征值、頻率響應、脈沖響應和正弦響應四個方面說明降階模型可忠實表征原模型的動力學特點。使用復合降階方法對動力學模型進行降階,得到了適合控制系統(tǒng)設計的低階模型。 (4)引入多通道思想,在LMI框架內研究了電池翼振動控制的多目標綜合問題,設計了基于觀測器的狀態(tài)反饋控制器。使用內部反饋回路處理系統(tǒng)的不確定性,引入Lyapunov函數(shù)成形的不變橢圓和峰—峰增益使控制輸入滿足約束限制。得到了具有干擾抑制性能且滿足控制輸入約束的魯棒穩(wěn)定的基于觀測器的狀態(tài)反饋控制器存在的充分條件。以太陽能電池翼為研究對象,通過數(shù)值仿真驗證了控制器設計方法的可行性和有效性。 (5)開展了基于主動約束阻尼技術的太陽能電池翼振動控制的驗證性實驗研究。實驗結果表明所建理論模型是正確的,采用主動約束阻尼控制技術和魯棒反饋控制器對抑制電池翼的振動是有效的。 【關鍵詞】：太陽能電池翼 振動控制 主動約束阻尼 Krylov子空間 平衡降階 LMI 多目標綜合 振動控制實驗
【學位授予單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2007
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要12-14
• ABSTRACT14-16
• 第一章 緒論16-40
• 1.1 研究背景16-23
• 1.1.1 剛性太陽能電池翼16-17
• 1.1.2 半剛性太陽能電池翼17-18
• 1.1.3 柔性太陽能電池翼18-20
• 1.1.4 航天器太陽能電池翼的動力學問題20-21
• 1.1.5 太陽能電池翼振動控制問題21-22
• 1.1.6 研究意義22-23
• 1.2 國內外相關研究情況23-37
• 1.2.1 主動約束阻尼技術23-24
• 1.2.2 ACLD結構動力學建模24-29
• 1.2.3 動力學模型簡化29-30
• 1.2.4 動力學模型的響應分析方法30
• 1.2.5 結構振動控制方法概述30-33
• 1.2.6 魯棒H_∞控制技術33-37
• 1.3 論文研究內容37-40
• 1.3.1 研究對象37-38
• 1.3.2 研究目標38
• 1.3.3 研究內容38-40
• 第二章 太陽能電池翼動力學模型40-56
• 2.1 太陽能電池翼簡化模型40-43
• 2.1.1 單板模型40-41
• 2.1.2 框架板模型41
• 2.1.3 多板鉸接模型41-42
• 2.1.4 多框架板鉸接模型42-43
• 2.1.5 帶撓性附件航天器簡化模型43
• 2.2 太陽能電池翼結構有限元模型43-55
• 2.2.1 質量、剛度矩陣43-51
• 2.2.2 單板有限元模型51
• 2.2.3 單框架板有限元模型51
• 2.2.4 多板鉸接電池翼有限元模型51-52
• 2.2.5 多框架板鉸接電池翼的有限元模型52
• 2.2.6 帶撓性附件航天器動力學模型52-55
• 2.3 小結55-56
• 第三章 含ACLD結構太陽能電池翼動力學模型56-85
• 3.1 壓電驅動器本構方程56-58
• 3.1.1 本構方程介紹56-57
• 3.1.2 壓電驅動器本構方程57-58
• 3.2 ACLD梁單元58-66
• 3.2.1 結構形式和假設條件58-59
• 3.2.2 單元位移形函數(shù)59-61
• 3.2.3 應變、應力分析61-63
• 3.2.4 單元勢能63-64
• 3.2.5 單元動能64-66
• 3.3 ACLD板單元66-74
• 3.3.1 結構形式和假設條件66
• 3.3.2 單元位移形函數(shù)66-68
• 3.3.3 應變、應力分析68-71
• 3.3.4 單元勢能71-72
• 3.3.5 單元動能72-74
• 3.4 含ACLD結構單(框架)板模型動力學方程74-77
• 3.4.1 廣義力74
• 3.4.2 動力學模型74-77
• 3.5 含ACLD結構撓性航天器動力學模型77-81
• 3.6 ACLD結構配置位置選擇81-84
• 3.7 小結84-85
• 第四章 含ACLD結構動力學模型降階85-95
• 4.1 動力縮聚方法85-87
• 4.2 平衡降階方法87-89
• 4.3 Krylov子空間降階方法89-94
• 4.3.1 Krylov子空間定義89-90
• 4.3.2 Krylov子空間特性90-92
• 4.3.3 Krylov子空間降階算法92-94
• 4.4 復合模型降階方法94
• 4.5 小結94-95
• 第五章 基于LMI的魯棒控制理論95-103
• 5.1 LMI的基礎理論95-96
• 5.2 基于LMI的多目標綜合技術96-100
• 5.2.1 多目標綜合問題97-98
• 5.2.2 系統(tǒng)性能的LMI描述98-100
• 5.3 基于LMI的多目標綜合技術分析100-102
• 5.3.1 多目標綜合的LMI方法100-101
• 5.3.2 多目標綜合技術分析101-102
• 5.4 小結102-103
• 第六章 基于觀測器的魯棒H_∞振動控制器設計103-114
• 6.1 魯棒振動控制器設計問題分析103-108
• 6.1.1 結構動力學模型的不確定性分析103-107
• 6.1.2 結構振動輸入信號分析107
• 6.1.3 振動控制性能分析107-108
• 6.2 基于LMI的具有觀測器的狀態(tài)反饋魯棒控制器設計108-113
• 6.2.1 多目標控制問題108-110
• 6.2.2 控制器設計110-113
• 6.3 小結113-114
• 第七章 動力學及魯棒振動控制數(shù)值仿真114-136
• 7.1 單板模型仿真114-124
• 7.1.1 仿真模型114-115
• 7.1.2 特征值分析115-117
• 7.1.3 動力學響應分析117-118
• 7.1.4 單板模型的降階118-120
• 7.1.5 振動控制仿真120-123
• 7.1.6 結果分析123-124
• 7.2 鉸接雙框架板模型仿真124-128
• 7.2.1 仿真模型124-125
• 7.2.2 特征值計算125-126
• 7.2.3 雙框架板模型降階126
• 7.2.4 振動控制仿真126-127
• 7.2.5 結果分析127-128
• 7.3 撓性航天器動力學仿真分析128-134
• 7.3.1 仿真模型128-129
• 7.3.2 特征值計算129
• 7.3.3 動力學響應分析129-130
• 7.3.4 撓性航天器降階模型130-133
• 7.3.5 結果分析133-134
• 7.4 小結134-136
• 第八章 太陽能電池翼振動控制實驗136-145
• 8.1 實驗模型136-137
• 8.1.1 物理模型136
• 8.1.2 簡化模型136-137
• 8.2 實驗目的137
• 8.3 實驗內容137
• 8.4 實驗系統(tǒng)137-139
• 8.4.1 硬件系統(tǒng)138
• 8.4.2 軟件系統(tǒng)138-139
• 8.5 實驗結果139-144
• 8.5.1 振動頻率測試實驗139-142
• 8.5.2 振動控制實驗142-144
• 8.6 結論與討論144-145
• 第九章 結論與展望145-148
• 9.1 主要研究結論145-146
• 9.2 主要創(chuàng)新點146
• 9.3 研究展望146-148
• 致謝148-149
• 參考文獻149-162
• 作者在學期間取得的學術成果162

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