一种约束陀螺柔性体执行机构优化配置的方法技术

本发明专利技术涉及一种约束陀螺柔性体执行机构优化配置的方法：步骤一、建立柔性体的有限元模型，并对所建立的有限元模型做模态分析；步骤二、建立柔性体的基体坐标系和陀螺的框架坐标系，确定陀螺执行机构在柔性体上的初始安装方向；步骤三、利用Kane方法建立约束陀螺柔性体的动力学模型，动力学模型中应该包含执行机构对柔性体的影响；步骤四、对步骤三所建立的动力学模型进行简化，将输入变量转化为陀螺的框架角速度；步骤五、将陀螺在柔性体上的安装看成柔性体的主动阻尼，根据步骤三中所建立的动力学模型设计简单的控制器，并证明控制器的稳定性；步骤六、根据步骤五所设计的控制器，判断执行机构安装位置对柔性体振动抑制的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种约束陀螺柔性体执行机构优化配置的方法，属于柔性航天器机动控制及振动抑制领域。
技术介绍
随着空间技术的发展，航天器的结构日趋复杂，其尺寸越来越大，大型化、低密度和柔性化成为航天结构的一个重要发展趋势，为了降低发射成本和太空作业的需要，大型空间结构，如大型太阳帆板，大型天线和空间柔性机械臂等常常采用轻质材料制造。大型柔性结构通常具有大的挠性和较小的自身阻尼，而太空环境中几乎无外界阻尼，当大型复杂航天器在实现快速机动或受到外界干扰时，柔性结构会产生振动，振动将会严重影响元器件的工作，导致性能下降而失效；另外，长期的振动也会引起结构的疲劳破坏，因此，以刚体为假设前提的被动振动控制不再适用于柔性复杂航天器的控制。为了实现大型空间柔性空间结构的主动振动抑制，许多学者讨论了在空间柔性结构上粘贴智能结构，利用压电材料做成的执行机构/传感器能够适用于柔性结构的振动抑制。但是压电材料作为执行机构/传感器在大型空间柔性结构中的应用存在一定的问题，其最大缺点是压电执行结构提供的驱动力小。为了提供大型结构主动振动控制所需要的驱动能量，不得不增加执行机构的数目。执行机构的增加会给控制器的设计带来难度，而且计算量也会增加，这会对控制的实时性产生影响。继而有学者提出了陀螺柔性体理论，陀螺柔性体是指具有连续储存的角动量的柔性体，角动量装置可以直接产生控制力矩用于柔性结构的振动抑制。但是在实际应用中不可能实现连续配置的角动量装置，角动量装置的配置必定是离散的，逐点配置的。因此，将配置有离散角动量装置的柔性体定义为陀螺柔性体。要实现角动量装置对柔性体的主动振动抑制，需要考虑角动量执行机构的优化配置，也就是将执行机构配置在柔性结构的什么位置能够具有较好的振动抑制效果。要实现执行机构的优化配置，需要建立合适的动力学模型，具有压电执行机构的柔性体模型中往往忽略执行机构的质量，而陀螺执行机构安装在柔性体上时，对柔性体的动力学影响较大，因此建模中需要考虑陀螺执行机构对柔性体的影响。另外，执行机构优化配置需要选择合适的性能指标，大多数执行机构/传感器的优化配置是以可观可控性为性能指标进行配置的，这种配置方式能够得到较好的系统可观性和可控性，但是配置结果在振动抑制效果上并不一定是最好的，而且这种配置方法计算量相对较大。要得到振动抑制效果较好的优化配置构型，需要在一定的控制条件下取得。大多数的复合控制器虽然能够得到较好的控制效果，但是计算量大，效率低。因此可以以简单控制器为工具，以控制效果为目标，对执行机构进行优化配置。基于以上情况，设计一种以振动抑制效果为目标的高效陀螺柔性体执行机构优化配置方法显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对主动振动抑制执行机构的安装方式，提出的一种高效的约束陀螺柔性体执行机构优化配置的方法，为执行机构安放好坏提供了一种定量判断指标，使优化配置后构型能够实现对柔性体的快速振动抑制。本专利技术提供的一种约束陀螺柔性体执行机构优化配置的方法，适用于具有陀螺执行机构的约束梁结构和约束板结构，本专利技术的方法包括以下步骤：步骤一、建立柔性体的有限元模型，并对所建立的有限元模型做模态分析；步骤二、建立柔性体的基体坐标系和陀螺的框架坐标系，确定陀螺执行机构在柔性体上的初始安装方向，即确定框架坐标系和本体坐标系的坐标转换矩阵；步骤三、利用Kane(凯恩)方法建立约束陀螺柔性体的动力学模型，动力学模型中应该包含执行机构对柔性体的影响；步骤四、对步骤三所建立的动力学模型进行简化，将输入变量转化为陀螺的框架角速度；步骤五、将陀螺在柔性体上的安装看成柔性体的主动阻尼，根据步骤三中所建立的动力学模型设计简单的控制器，并证明控制器的稳定性；步骤六、根据步骤五所设计的控制器，判断执行机构安装位置对柔性体振动抑制的效果，在相同的控制器参数的条件下，以振动抑制时间为目标或振幅衰减程度为指标，控制器抑制振动越快或在相同时间内振幅衰减越快说明该安装位置越好。其中，步骤二中的确定陀螺执行机构在柔性体上的初始安装方向，要根据陀螺输出力矩来确定，输出力矩应该能够实现对柔性结构的弯曲和扭转变形进行有效的抑制。其中，步骤三中利用Kane(凯恩)方法建立约束陀螺柔性体的动力学模型，是将陀螺框架与柔性体的连接及陀螺框架与转子之间的连接看成单自由度的转动连接，并给出了陀螺柔性体的拓扑构型，建立了陀螺柔性体的动力学模型，该模型中包含了陀螺执行机构对柔性结构的影响。其中，步骤五中有效回避了对模态坐标的测量，柔性结构模态坐标是不可测的，而柔性结构的角速度是可测的，将测量的角速度通过一定的比例直接反馈到陀螺柔性系统中，用以增加柔性结构的阻尼，所设计的反馈控制器简单，且具有全局稳定性能。其中，步骤六中给出了判断执行机构安装位置处振动抑制好坏的判别标准，以时间为判别标准，或者在相同时间内，以振动衰减程度为判别标准，确定安装构型的优劣。本专利技术提出了一种约束陀螺柔性体执行机构优化配置的方法，其优点及功效在于：该方法将陀螺执行机构的安装位置通过有限元模型中的节点来表示，实现了执行机构安装与有限元模型的紧密结合，为陀螺柔性体的动力学建模提供了方便；本方法在动力学建模中考虑了陀螺对柔性体的影响，所得到的动力学模型更精确；该方法以振动抑制的快慢作为执行机构安装位置好坏的判断，与现有方法相比，该方法更能体现振动抑制的效果，而且该算法能够快速判断执行机构安装位置的可行性，同时该方法简单易于实施，是一种理想的优化配置方法。附图说明图1约束陀螺柔性体的一般构型。图2陀螺柔性体的拓扑构型。图3a、图3b约束边界陀螺柔性板。图4节点19安装陀螺时的模态坐标响应。图5节点46安装陀螺时的模态坐标响应。图6节点104安装陀螺时的模态坐标响应。图7节点137安装陀螺时的模态坐标响应。图8节点206安装陀螺时的模态坐标响应。图9节点233安装陀螺时的模态坐标响应。图10本专利技术方法的流程框图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案做进一步的说明。如图10所示，本专利技术一种约束陀螺柔性体执行机构优化配置的方法，具体包括如下步骤：第一步，建立柔性体的有限元模型，并对所建立的有限元模型做模态分析。约束陀螺柔性体的一般构型如图1所示，柔性体的一端为固定约束，另一端自由，陀螺执行机构嵌入到柔性体中，柔性体可以为梁结构也可以为板结构，柔性体通常具有无穷维自由度，为方便系统动力学建模，可以将柔性体位移离散为有限维固有模态的线性组合，为此需要假设柔性体的变形为小变形，则柔性体的位移可以通过通过离散化的模态坐标表示为： u → b = O b T T m , b τ b ]]>其中，上标“T”代表转置运算，Ob为柔性体上的固连坐标系，Tm,b为柔性体上质量微元处的平动模态矩阵，τb为质量微元处的模态坐标。柔性体固有模态的获得是通过有限元分析得到的，要得到给定约束陀螺柔性体的固有模态首先要建立柔性体的有限元模型，如果约束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种约束陀螺柔性体执行机构优化配置的方法，适用于具有陀螺执行机构的约束梁结构和约束板结构，具体包括以下步骤：步骤一、建立柔性体的有限元模型，并对所建立的有限元模型做模态分析；步骤二、建立柔性体的基体坐标系和陀螺的框架坐标系，确定陀螺执行机构在柔性体上的初始安装方向，即确定框架坐标系和本体坐标系的坐标转换矩阵；步骤三、利用凯恩方法建立约束陀螺柔性体的动力学模型，动力学模型中应该包含执行机构对柔性体的影响；步骤四、对步骤三所建立的动力学模型进行简化，将输入变量转化为陀螺的框架角速度；步骤五、将陀螺在柔性体上的安装看成柔性体的主动阻尼，根据步骤三中所建立的动力学模型设计简单的控制器，并证明控制器的稳定性；步骤六、根据步骤五所设计的控制器，判断执行机构安装位置对柔性体振动抑制的效果，在相同的控制器参数的条件下，以振动抑制时间为目标或振幅衰减程度为指标，控制器抑制振动越快或在相同时间内振幅衰减越快说明该安装位置越好。

【技术特征摘要】
1.一种约束陀螺柔性体执行机构优化配置的方法，适用于具有陀螺执行机构的约束梁结构和约束板结构，具体包括以下步骤：步骤一、建立柔性体的有限元模型，并对所建立的有限元模型做模态分析；步骤二、建立柔性体的基体坐标系和陀螺的框架坐标系，确定陀螺执行机构在柔性体上的初始安装方向，即确定框架坐标系和本体坐标系的坐标转换矩阵；步骤三、利用凯恩方法建立约束陀螺柔性体的动力学模型，动力学模型中应该包含执行机构对柔性体的影响；...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾英宏，贾世元，徐世杰，冯骁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11