新型磁流变阻尼器及整星半主动隔振系统研究

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卫星在发射阶段承受的恶劣振动环境,会造成卫星结构损坏、星载精密仪器失效。传统的星箭连接装置通常采用铝制的锥壳适配器,具有结构刚度大、阻尼小等特点,导致环境载荷直接从星箭界面传递到卫星。作为一种智能器件,磁流变阻尼器具有结构简单、连续可调、响应快速、能耗低等优点,被认为是最具有发展前景的半主动控制装置之一,也是应用于航天领域较为理想的作动器。而半主动控制技术,具有稳定性强、能耗低、控制效果好等特点。本文基于磁流变阻尼器和半主动控制技术,设计一套具有多轴隔振性能的整星隔振系统,用来改善卫星在发射过程中受到的振动环境。针对整星隔振系统负载质量大、振源频带宽的特点,提出了一种具有蜿蜒磁路特性的新型磁流变阻尼器。该磁流变阻尼器通过策略地布置导磁环和阻磁环,来引导通过节流通道的磁感线走向,以提高节流通道的利用效率。建立了考虑磁流变液非线性流动特性的数学模型,并结合电磁仿真结果对磁流变阻尼器的阻尼特性进行数值模拟。加工制作磁流变阻尼器的原理样机,测试其动态性能,并与具有相同外形结构尺寸的传统阻尼器进行对比分析。结果显示提出的磁流变阻尼器的可控范围显著增大,同时零场下的阻尼力大小保持不变。为了更好地将提出的磁流变阻尼器应用于半主动控制系统设计,提出了一种考虑激励特性的磁流变阻尼器参数化模型。调节通入磁流变阻尼器的电流并改变激励幅值和频率,在不同工况下测试并得到了磁流变阻尼器的阻尼特性。基于测试结果,建立了描述磁流变阻尼器阻尼特性的Tanh模型,并应用遗传算法对模型参数进行了辨识。在此基础上,建立了考虑激励幅值和激励频率的修正模型。对比分析了两种模型对测试结果的拟合精度,以及对测试范围外其他工况下阻尼特性的预测能力。结果显示提出的模型具有更高的拟合精度和更强的预测能力,可以很好地描述磁流变阻尼器的动态特性。另外,基于提出的模型设计了前馈-PI混合控制,实现了磁流变阻尼器阻尼力的精确跟踪控制。设计了一种高度集成化的自感式六轴锥形隔振平台,该平台集成了磁流变阻尼器、模具弹簧和传感器等。基于结构稳定性方面的考虑,将该隔振平台部分替代原星箭连接用的锥壳适配器,组成具有多轴隔振性能的整星隔振系统。建立了以固有频率和静变形量为目标,结构参数为变量的构型优化模型,采用非支配排序遗传算法NSGA-II进行优化模型求解,完成了隔振平台力学性能优化和结构参数选择。进一步,基于Donnell壳体理论和Newton-Euler法建立了原星箭连接系统和提出的整星隔振系统的动力学模型,并分析了两系统的被动隔振特性,以及卫星的柔性对对系统传递特性的影响。结果显示整星隔振系统的被动隔振效果良好,卫星的柔性对系统传递特性的影响较大,不可忽略。系统的动力学模型和被动隔振特性是进行半主动控制系统设计的基础。针对含刚性负载的六轴锥形隔振平台,在Matlab/Simulink中完成了半主动控制仿真,对比分析了天棚阻尼控制、状态反馈最优控制以及两种被动情形的隔振效果。结果显示通入最大允许电流后,隔振系统传递率的共振峰抑制明显,但高频隔振性能出现明显恶化。天棚阻尼控制能够在一定程度上改善这种恶化。状态反馈最优控制的整体隔振效果最好,既能够很好地抑制共振峰,也能够使高频隔振效果不出现恶化。并且,相比于天棚阻尼控制,磁流变阻尼器在状态反馈最优控制的作用下的电能消耗更小。进一步,完成了对整星隔振系统的半主动控制仿真分析,得到了类似结果,状态反馈最优控制的综合隔振效果最好。设计并研制了隔振平台,开发了基于DSP的嵌入式控制器,搭建了整星隔振半主动控制测试系统,完成了地面实验。实验结果显示提出的整星隔振系统具有良好的隔振性能,验证了设计原理的合理性和理论分析的准确性。
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