超大型天線饋源指向跟蹤系統(tǒng)的力學(xué)分析及控制研究.pdf

1、在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，基于前人的工作，本文主要對(duì)新一代超大口徑球反射面射電望遠(yuǎn)鏡FAST （Five-hundred Meter Aperture Spherical RadioTelescope)饋源指向跟蹤系統(tǒng)的力學(xué)分析與控制進(jìn)行研究。完成的主要工作和取得的研究結(jié)論歸納如下： 1．基于柔索的彈性懸鏈線方程，針對(duì)超大型天線的特點(diǎn)，建立了FAST饋源艙柔索支撐系統(tǒng)的非線性靜力學(xué)模型，導(dǎo)出了系統(tǒng)靜態(tài)剛度矩陣的解析表達(dá)

2、式。由剛度表達(dá)式可見，系統(tǒng)剛度與饋源艙的位姿、艙索固接點(diǎn)的位置、柔索數(shù)目以及柔索拉力有關(guān)。最后，通過(guò)數(shù)值算例和物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分析方法的正確性和有效性。 2．根據(jù)饋源艙柔索支撐機(jī)構(gòu)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等效電路模型，建立了由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)到卷?yè)P(yáng)機(jī)的機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。在該模型中不但考慮了摩擦非線性環(huán)節(jié)的影響，而且還考慮了未建模動(dòng)態(tài)等干擾的影響。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)該交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種模糊滑模控制方法。這種方法通過(guò)分階段的加入指數(shù)

3、趨近控制來(lái)加快系統(tǒng)響應(yīng)，同時(shí)利用模糊控制器實(shí)時(shí)調(diào)整滑?？刂频内吔蓞?shù)。不僅保證了控制系統(tǒng)的快速性和魯棒性，而且有效地削弱滑模控制的顫動(dòng)；另外，該控制方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于工程應(yīng)用。以饋源艙柔索支撐系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為對(duì)象進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)果表明這種控制方法能夠獲得良好的控制精度和較強(qiáng)的魯棒性。進(jìn)一步證明了理論分析的正確性和設(shè)計(jì)方法的有效性。 3．應(yīng)用拉格朗日方程建立了饋源艙柔索支撐系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，解決了已知饋源艙運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)饋源

4、艙柔索支撐系統(tǒng)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。同時(shí)，在考慮艙體動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中慣性力影響的前提下，進(jìn)行饋源艙柔索支撐系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃，進(jìn)一步可求解特定長(zhǎng)度的柔索對(duì)處于某一位姿的饋源艙的作用力，并采用具有二次收斂性的Newton-Raphson迭代法進(jìn)行解算，得到了更快的求解速度以滿足控制的要求。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，艙體中心的運(yùn)行軌跡與運(yùn)動(dòng)要求相吻合：索長(zhǎng)、艙體沿各坐標(biāo)方向的位移、速度和加速度符合周期變化曲線；艙體上作用力的數(shù)值合理；從而驗(yàn)證了所建立

5、的饋源艙柔索支撐系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型是正確的。同時(shí)為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)饋源艙柔索支撐系統(tǒng)的精確控制奠定了基礎(chǔ)。 4．通過(guò)對(duì)饋源艙柔索支撐系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的強(qiáng)非線性、參數(shù)不確定性以及受到外界干擾等系統(tǒng)特性的分析，探討了該類控制系統(tǒng)的控制特點(diǎn)和適用的控制策略。進(jìn)一步，設(shè)計(jì)了一種將常規(guī)PI控制和Fuzz)，控制相結(jié)合的Fuzzy-PI混合離散控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)饋源艙軌跡跟蹤控制。這種控制策略不僅能發(fā)揮模糊控制魯棒性強(qiáng)、勱態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，而且具有常規(guī)PI控制

6、器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。在此基超大型天線饋源指向跟蹤系統(tǒng)的力學(xué)分忻及控制研究礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高Fuzzy-PI混合離散控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)了一種帶有自調(diào)整因子的模糊控制規(guī)則。為了驗(yàn)證該Fuzzy-PI混合離散控制算法的優(yōu)良控制性能，在相同給定條件和擾動(dòng)下把Fuzzy—PI混合離散控制算法與常規(guī)模糊控制和離散非線性PID控制算法進(jìn)行了比較研究。數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析表明，該Fuzzy-PI混合離散控制方法可在較大程度上補(bǔ)償系統(tǒng)的非線

7、性特性，并能提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性、運(yùn)動(dòng)跟蹤精度以及抗擾動(dòng)能力。 5．根據(jù)KED(Kineto Elastio Dynamic Analysis)原理建立了柔性支腿Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型。解決了已知?jiǎng)悠脚_(tái)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軌跡，求各滑動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力的動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題。由于充分考慮了動(dòng)平臺(tái)慣性、支腿慣性、支腿彈性和關(guān)節(jié)摩擦等因素，保證了模型的準(zhǔn)確性。這種動(dòng)力學(xué)模型為研究Stewart平臺(tái)高精度軌跡跟蹤控制奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)該機(jī)構(gòu)的非線性、強(qiáng)耦

8、合和多輸入多輸出等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器(Proportional-Integral-Derivative Neural Network controller)來(lái)實(shí)現(xiàn)精調(diào)Stewart平臺(tái)的高精度軌跡跟蹤。這種PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略采用基于優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID解耦控制，將PID控制規(guī)律融進(jìn)神經(jīng)元之中，既具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)及逼近任意函數(shù)的能力，又具有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明