空间薄膜结构振动控制研究

发布时间：2023-05-30 23:29

　　空间薄膜结构高收纳比、高功质比的特点,很好地解决了入轨前载荷舱尺寸限制问题,同时得益于发射成本和应用功能等方面的巨大优势,薄膜结构在反射天线、太阳能电站、太阳帆等航天器中具有极大的应用潜力。而薄膜由于自身抗弯刚度小,阻尼低的结构特性,在姿态调整或遭受环境扰动时容易引起薄膜结构长时间的低频振动,对其长期在轨运行的可靠性造成影响。为了避免上述问题,有必要对薄膜结构的振动控制展开研究。本文根据压电材料机电耦合特性,结合有限元方法推导四节点矩形压电单元,并建立了含PVDF压电材料矩形薄膜的动力学方程。通过引入模态坐标对模型降阶,进而得到结构降阶后的状态空间模型。在此基础上,考虑了受控模态与剩余模态影响,基于可控性Gramian矩阵构建PVDF致动器位置优化准则。以四边固支的矩形预应力薄膜为对象,采用了粒子群优化算法对不同优化参数下致动器位置进行了优化。随后考虑模型噪声,根据最优二次型控制理论,结合Kalman滤波设计模型的控制和状态观测系统。借助Simulink搭建控制仿真平台并进行控制仿真。结果表明,在多种激励条件下的矩形薄膜振动均得到有效抑制,相比于无控状态控制效果显著。另外,通过致动器位...

【文章页数】：67 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 空间薄膜结构发展与应用
        1.2.2 振动控制国内外研究现状
        1.2.3 薄膜结构动态特性及主动控制研究现状
    1.3 本文主要研究内容
2 PVDF压电材料与薄膜结构的动力学建模
    2.1 压电材料的性质
        2.1.1 压电效应
        2.1.2 压电材料的力学性质与介电性质
        2.1.3 四类压电方程
    2.2 PVDF压电耦合单元分析
    2.3 PVDF单元的动力学方程
    2.4 整体结构的动力学方程与状态空间模型
    2.5 本章小结
3 PVDF压电致动器位置优化
    3.1 PVDF致动器位置优化准则
    3.2 基于粒子群算法的致动器位置优化
        3.2.1 粒子群算法基本原理
        3.2.2 算法步骤与参数设置
    3.3 预应力薄膜模态分析
    3.4 PVDF位置优化算例分析
        3.4.1 仅考虑单阶模态的位置优化
        3.4.2 考虑多阶模态的位置优化
    3.5 本章小结
4 基于PVDF压电材料的薄膜振动主动控制
    4.1 控制器与状态观测器设计
        4.1.1 线性二次型最优控制器设计
        4.1.2 状态观测器设计
    4.2 振动控制仿真
    4.3 优化位置控制效果对比分析
    4.4 本章小结
5 太阳帆薄膜结构主动张拉控制
    5.1 太阳帆薄膜结构有限元分析
        5.1.1 结构连接方式和基本构型
        5.1.2 预应力导入与模态分析
    5.2 多点连接模型的主动张拉控制仿真
        5.2.1 控制器设计
        5.2.2 仿真结果分析
    5.3 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢



本文编号：3825243