含ACLD结构太阳能电池翼动力学建模与振动控制研究

【摘要】： 大型挠性太阳能电池翼的振动控制是航天器动力学与控制领域的挑战性课题。大挠性太阳能电池翼的大跨度、轻质量、低刚度的结构特点,导致其具有低频率、弱阻尼、模态密集的动力学特性。航天器的轨道和姿态机动以及复杂的空间环境干扰,都可能引发大挠性太阳能电池翼的振动。由于太阳能电池翼结构阻尼弱,空间环境也无大气阻尼,使得太阳能电池翼的振动很难衰减。这些振动将影响航天器的姿态稳定和定位精度,严重时还可能导致航天任务的失败。因此,必须对电池翼进行振动控制,然而,常规的控制方法和经典的控制理论已经难以适应大挠性太阳能电池翼振动控制的需求。本文正是在这样的背景下,展开大挠性太阳能电池翼结构动力学研究,提出了太阳能电池翼的主动约束阻尼(Active Constrained Layer Damping,ACLD)振动控制方式,以及基于LMI的多目标鲁棒振动控制系统设计的理论和方法,并进行了深入的探讨和研究。主要内容如下: (1)根据太阳能电池翼的结构特点,简化为:单板、单框架板、多板铰接、多框架板铰接和中心刚体+板五种模型。在此基础上,建立了含ACLD结构的太阳能电池翼动力学模型。编制相应的有限元分析程序,并将计算所得特征值和频率响应与Msc.Nastran软件的计算结果进行对比,验证了模型的正确性。 (2)直接从影响粘弹性层剪切变形的角度分析了ACLD结构位置对太阳能电池翼模态阻尼因子的影响,并据此给出了简易地确定ACLD结构位置的方法。 (3)研究了具有主动约束阻尼结构的动力学模型降阶问题。由于粘弹性阻尼材料的存在,使得平衡降阶和动力缩聚两类广泛应用的模型降阶方法不再适用。论文改进了Krylov子空间模型降阶方法,并结合Krylov子空间降阶方法和平衡降阶方法的优点,提出了复合降阶方法。从特征值、频率响应、脉冲响应和正弦响应四个方面说明降阶模型可忠实表征原模型的动力学特点。使用复合降阶方法对动力学模型进行降阶,得到了适合控制系统设计的低阶模型。 (4)引入多通道思想,在LMI框架内研究了电池翼振动控制的多目标综合问题,设计了基于观测器的状态反馈控制器。使用内部反馈回路处理系统的不确定性,引入Lyapunov函数成形的不变椭圆和峰—峰增益使控制输入满足约束限制。得到了具有干扰抑制性能且满足控制输入约束的鲁棒稳定的基于观测器的状态反馈控制器存在的充分条件。以太阳能电池翼为研究对象,通过数值仿真验证了控制器设计方法的可行性和有效性。 (5)开展了基于主动约束阻尼技术的太阳能电池翼振动控制的验证性实验研究。实验结果表明所建理论模型是正确的,采用主动约束阻尼控制技术和鲁棒反馈控制器对抑制电池翼的振动是有效的。 【关键词】：太阳能电池翼 振动控制 主动约束阻尼 Krylov子空间 平衡降阶 LMI 多目标综合 振动控制实验
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要12-14
• ABSTRACT14-16
• 第一章 绪论16-40
• 1.1 研究背景16-23
• 1.1.1 刚性太阳能电池翼16-17
• 1.1.2 半刚性太阳能电池翼17-18
• 1.1.3 柔性太阳能电池翼18-20
• 1.1.4 航天器太阳能电池翼的动力学问题20-21
• 1.1.5 太阳能电池翼振动控制问题21-22
• 1.1.6 研究意义22-23
• 1.2 国内外相关研究情况23-37
• 1.2.1 主动约束阻尼技术23-24
• 1.2.2 ACLD结构动力学建模24-29
• 1.2.3 动力学模型简化29-30
• 1.2.4 动力学模型的响应分析方法30
• 1.2.5 结构振动控制方法概述30-33
• 1.2.6 鲁棒H_∞控制技术33-37
• 1.3 论文研究内容37-40
• 1.3.1 研究对象37-38
• 1.3.2 研究目标38
• 1.3.3 研究内容38-40
• 第二章 太阳能电池翼动力学模型40-56
• 2.1 太阳能电池翼简化模型40-43
• 2.1.1 单板模型40-41
• 2.1.2 框架板模型41
• 2.1.3 多板铰接模型41-42
• 2.1.4 多框架板铰接模型42-43
• 2.1.5 带挠性附件航天器简化模型43
• 2.2 太阳能电池翼结构有限元模型43-55
• 2.2.1 质量、刚度矩阵43-51
• 2.2.2 单板有限元模型51
• 2.2.3 单框架板有限元模型51
• 2.2.4 多板铰接电池翼有限元模型51-52
• 2.2.5 多框架板铰接电池翼的有限元模型52
• 2.2.6 带挠性附件航天器动力学模型52-55
• 2.3 小结55-56
• 第三章 含ACLD结构太阳能电池翼动力学模型56-85
• 3.1 压电驱动器本构方程56-58
• 3.1.1 本构方程介绍56-57
• 3.1.2 压电驱动器本构方程57-58
• 3.2 ACLD梁单元58-66
• 3.2.1 结构形式和假设条件58-59
• 3.2.2 单元位移形函数59-61
• 3.2.3 应变、应力分析61-63
• 3.2.4 单元势能63-64
• 3.2.5 单元动能64-66
• 3.3 ACLD板单元66-74
• 3.3.1 结构形式和假设条件66
• 3.3.2 单元位移形函数66-68
• 3.3.3 应变、应力分析68-71
• 3.3.4 单元势能71-72
• 3.3.5 单元动能72-74
• 3.4 含ACLD结构单(框架)板模型动力学方程74-77
• 3.4.1 广义力74
• 3.4.2 动力学模型74-77
• 3.5 含ACLD结构挠性航天器动力学模型77-81
• 3.6 ACLD结构配置位置选择81-84
• 3.7 小结84-85
• 第四章 含ACLD结构动力学模型降阶85-95
• 4.1 动力缩聚方法85-87
• 4.2 平衡降阶方法87-89
• 4.3 Krylov子空间降阶方法89-94
• 4.3.1 Krylov子空间定义89-90
• 4.3.2 Krylov子空间特性90-92
• 4.3.3 Krylov子空间降阶算法92-94
• 4.4 复合模型降阶方法94
• 4.5 小结94-95
• 第五章 基于LMI的鲁棒控制理论95-103
• 5.1 LMI的基础理论95-96
• 5.2 基于LMI的多目标综合技术96-100
• 5.2.1 多目标综合问题97-98
• 5.2.2 系统性能的LMI描述98-100
• 5.3 基于LMI的多目标综合技术分析100-102
• 5.3.1 多目标综合的LMI方法100-101
• 5.3.2 多目标综合技术分析101-102
• 5.4 小结102-103
• 第六章 基于观测器的鲁棒H_∞振动控制器设计103-114
• 6.1 鲁棒振动控制器设计问题分析103-108
• 6.1.1 结构动力学模型的不确定性分析103-107
• 6.1.2 结构振动输入信号分析107
• 6.1.3 振动控制性能分析107-108
• 6.2 基于LMI的具有观测器的状态反馈鲁棒控制器设计108-113
• 6.2.1 多目标控制问题108-110
• 6.2.2 控制器设计110-113
• 6.3 小结113-114
• 第七章 动力学及鲁棒振动控制数值仿真114-136
• 7.1 单板模型仿真114-124
• 7.1.1 仿真模型114-115
• 7.1.2 特征值分析115-117
• 7.1.3 动力学响应分析117-118
• 7.1.4 单板模型的降阶118-120
• 7.1.5 振动控制仿真120-123
• 7.1.6 结果分析123-124
• 7.2 铰接双框架板模型仿真124-128
• 7.2.1 仿真模型124-125
• 7.2.2 特征值计算125-126
• 7.2.3 双框架板模型降阶126
• 7.2.4 振动控制仿真126-127
• 7.2.5 结果分析127-128
• 7.3 挠性航天器动力学仿真分析128-134
• 7.3.1 仿真模型128-129
• 7.3.2 特征值计算129
• 7.3.3 动力学响应分析129-130
• 7.3.4 挠性航天器降阶模型130-133
• 7.3.5 结果分析133-134
• 7.4 小结134-136
• 第八章 太阳能电池翼振动控制实验136-145
• 8.1 实验模型136-137
• 8.1.1 物理模型136
• 8.1.2 简化模型136-137
• 8.2 实验目的137
• 8.3 实验内容137
• 8.4 实验系统137-139
• 8.4.1 硬件系统138
• 8.4.2 软件系统138-139
• 8.5 实验结果139-144
• 8.5.1 振动频率测试实验139-142
• 8.5.2 振动控制实验142-144
• 8.6 结论与讨论144-145
• 第九章 结论与展望145-148
• 9.1 主要研究结论145-146
• 9.2 主要创新点146
• 9.3 研究展望146-148
• 致谢148-149
• 参考文献149-162
• 作者在学期间取得的学术成果162

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