基于位移反馈控制的空间主动隔振系统设计

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随着空间微重力科学实验的发展,为对微重力水平要求较高的空间科学实验载荷提供主动隔振的需要显得更加突出。而美国,加拿大等国家在上世纪90年代就已经完成了空间主动隔振平台的研制和技术验证工作,并取得了理想的实际飞行数据。随着我国载人航天即将进入空间站的建设阶段,未来会将有大量空间微重力相关实验研究,为了给各类空间科学实验载荷提供理想的微重力环境,对于空间主动隔振平台的需求变得更加突出。
  目前传统的空间主动隔振平台通常基于加速度和位移的双反馈控制,其控制系统的复杂度较高,同时外部扰动存在较大不确定性也使得控制的难度进一步增大。
  对于上述问题,本文首先给出了使用无线电能传输和无线通信取代基础和隔振平台之间的脐带线,只基于位移反馈的主动隔振平台的总体设计,其中包括系统各部分的作用和布局设计。由于设计中去除了脐带线,就从根源上隔绝了航天器内扰动传递给隔振平台的途径,而为此种场景设计了以非接触方式对无源隔振平台的三维位置测量算法,并通过仿真和实验分别验证了算法的有效性和测量精度。同时通过建立系统运动的动力学模型,给出了基于位移反馈的相对运动控制律,使用经典的PID算法设计了位移控制器,并通过理论分析和数值仿真给出了对于不同实验载荷和隔振要求下系统PID控制参数的设计准则。并在此基础上在嵌入式计算机平台上完成了以上三维位置测量算法和基于位移反馈的控制算法的软件实现。最后通过实验标定了系统中使用的二维电磁激励器,并给出了二维电磁激励器输出力的修正方法,同时通过气浮的方式验证了位移控制,以及对基础施加不同频率扰动后的隔振效果,实验结果表明基于位移反馈的控制算法具有很好的控制精度和鲁棒性,并且能够对实验载荷提供良好的隔振效果。
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