星載天線在軌模態(tài)參數(shù)辨識及其在振動控制中的應(yīng)用.pdf

1、隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展,作為衛(wèi)星重要有效載荷的星載天線系統(tǒng)呈現(xiàn)出指向高精度和大型化發(fā)展趨勢。由于不可避免的制造和安裝誤差,重力和大氣阻力的影響使得在地面難以模擬真實太空的微重力真空環(huán)境,以及在軌工作時各種環(huán)境因素和天線機構(gòu)大范圍運動的影響等,都會使設(shè)計階段采用傳統(tǒng)動力學(xué)建模以及地面試驗方法得到的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)參數(shù)難以準(zhǔn)確描述星載天線的真實在軌工作狀態(tài)。這造成按照標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)參數(shù)所設(shè)計控制器的振動抑制效果下降,甚至?xí)?dǎo)致控制系統(tǒng)失效。因此,為動態(tài)了

2、解星載天線結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)性能,在軌調(diào)整控制器參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動抑制,在結(jié)合以往國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文對星載天線在軌狀態(tài)的模態(tài)參數(shù)辨識及其振動控制問題開展研究。
　　為實現(xiàn)在軌模態(tài)參數(shù)辨識,分別以觀測信息正交性最大和能量最高為優(yōu)化準(zhǔn)則設(shè)計了傳感器單目標(biāo)及多目標(biāo)優(yōu)化部署方案。利用有限元方法對星載天線反射面結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,根據(jù)模態(tài)空間H2范數(shù)進(jìn)行參振模態(tài)階數(shù)的確定;采用二重結(jié)構(gòu)整數(shù)編碼的遺傳算法對傳感器單目標(biāo)優(yōu)化部署問題進(jìn)行求解,

3、提出均勻設(shè)計方法對遺傳算法中的傳感器數(shù)量、種群規(guī)模、交叉概率和變異概率進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)置;引入NSGA-II算法并對其編碼方式和遺傳算子設(shè)計進(jìn)行改進(jìn),使之可以用于求解傳感器多目標(biāo)優(yōu)化部署問題。通過仿真對上述單目標(biāo)及多目標(biāo)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真比較證明:傳感器多目標(biāo)優(yōu)化部署方案克服了單目標(biāo)的局限性和片面性,得到更加符合實際工況的折衷解。
　　為保證在軌獲取高精度模態(tài)參數(shù),對含有干擾噪聲的振動響應(yīng)信號進(jìn)行降噪處理。針對經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法(EMD

4、)采用連續(xù)均方誤差準(zhǔn)則(CMSE)難以判別噪聲和真實信號的問題,提出了基于能量權(quán)重準(zhǔn)則的改進(jìn)EMD方法,通過仿真驗證了該判別準(zhǔn)則的有效性;將上述改進(jìn)EMD方法和小波閾值降噪方法相結(jié)合,利用EMD方法對受污染信號進(jìn)行自適應(yīng)性分解,基于能量權(quán)重準(zhǔn)則自動區(qū)別噪聲和真實信號,采用隨機排序——累加求平均的小波閾值方法對噪聲信號進(jìn)行濾除,從而實現(xiàn)振動信號的降噪處理。通過與小波閾值和EMD方法的降噪效果進(jìn)行對比,驗證了該信號降噪處理方法的有效性和優(yōu)越

5、性。
　　基于上述傳感器優(yōu)化部署方案和振動信號降噪處理方法提供的信息全面、高信噪比信號,對處于定點觀測狀態(tài)的星載天線采用時域方法進(jìn)行在軌模態(tài)參數(shù)辨識研究。按照振動響應(yīng)貢獻(xiàn)大小,對多通道觀測信號的奇異熵增量進(jìn)行加權(quán)求和,提出了“加權(quán)奇異熵增量”的概念,并將其用于系統(tǒng)階數(shù)確定,彌補了奇異熵增量對多通道信號進(jìn)行系統(tǒng)定階時難以取舍的不足;在分析特征實現(xiàn)算法(ERA)和隨機子空間(SSI)體系時域方法計算流程區(qū)別和聯(lián)系的基礎(chǔ)上，通過引入相關(guān)

6、性分析技術(shù)構(gòu)造廣義Hankel矩陣,采用SVD分解和最小二乘方法求解系統(tǒng)狀態(tài)矩陣并提取模態(tài)參數(shù)信息,引入模態(tài)幅值相干系數(shù)(MAC)和模態(tài)奇異值(MSV)區(qū)分虛假和真實模態(tài),從而實現(xiàn)ERA和SSI體系求解過程的融合,有效解決了這兩類方法本身所造成振動響應(yīng)貢獻(xiàn)小的模態(tài)被遺漏的問題。
　　對處于跟蹤掃描狀態(tài)的星載天線進(jìn)行在軌模態(tài)參數(shù)辨識及其在振動控制中的應(yīng)用。基于振動控制的應(yīng)用目的,進(jìn)行傳感器/作動器優(yōu)化部署:根據(jù)系統(tǒng)可控/可觀Gram

7、mian矩陣的特征值分布情況,設(shè)計符合星載天線模態(tài)密集、弱阻尼結(jié)構(gòu)特點的優(yōu)化準(zhǔn)則;采用混合粒子群算法(HPSO)進(jìn)行求解,并通過與遺傳算法進(jìn)行仿真對比驗證了該算法的優(yōu)越性。引入觀測器/卡爾曼濾波辨識方法(OKID)獲取系統(tǒng)狀態(tài)空間模型,并基于此模型設(shè)計了LQG/LTR控制器,提出OKID+LQG/LTR分段循環(huán)集成方法實現(xiàn)星載天線跟蹤掃描時的振動控制。
　　考慮到處于跟蹤掃描狀態(tài)的星載天線系統(tǒng)中含有反饋控制環(huán)節(jié),對此狀態(tài)下的閉環(huán)系

8、統(tǒng)進(jìn)行在軌模態(tài)參數(shù)辨識研究。為實現(xiàn)控制信號的動態(tài)跟蹤,對傳統(tǒng)基于數(shù)據(jù)批量處理的閉環(huán)子空間方法進(jìn)行改進(jìn):根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出信號采用帶遺忘因子遞推最小二乘方法(FFRLS)求解系統(tǒng)Markov參數(shù)矩陣,利用投影近似子空間跟蹤技術(shù)(PAST)遞推估計Kalman狀態(tài)向量序列,最后采用FFRLS進(jìn)行系統(tǒng)矩陣的遞推求解,并從中實時提取相應(yīng)模態(tài)參數(shù)信息。與傳統(tǒng)子空間辨識方法相比,整個計算過程采用遞推算法實現(xiàn),便于模態(tài)參數(shù)實時跟蹤,算法簡潔,不需離線估