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、在國家自然科學(xué)基金重點項目的支持下，基于前人的工作，本文主要對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，針對超大型天線的特點，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、艙索固接點的位置、柔索數(shù)目以及柔索拉力有關(guān)。最后，通過數(shù)值算例和物理實驗驗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)動系統(tǒng)的等效電路模型，建立了由伺服驅(qū)動電機(jī)到卷揚(yáng)機(jī)的機(jī)電系統(tǒng)的動力學(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態(tài)等干擾的影響。在此基礎(chǔ)上，針對該交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計了一種模糊滑?？刂品椒?。這種方法通過分階段的加入指數(shù)

3、趨近控制來加快系統(tǒng)響應(yīng)，同時利用模糊控制器實時調(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?？刂频念潉?；另外，該控制方案設(shè)計簡單，便于工程應(yīng)用。以饋源艙柔索支撐系統(tǒng)交流伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)為對象進(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)的動力學(xué)模型，解決了已知饋源艙運(yùn)動軌跡，對饋源

4、艙柔索支撐系統(tǒng)的逆運(yùn)動學(xué)、逆動力學(xué)問題。同時，在考慮艙體動態(tài)運(yùn)動過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)一步可求解特定長度的柔索對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)值計算結(jié)果表明，艙體中心的運(yùn)行軌跡與運(yùn)動要求相吻合：索長、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；從而驗證了所建立

5、的饋源艙柔索支撐系統(tǒng)的動力學(xué)模型是正確的。同時為進(jìn)一步實現(xiàn)饋源艙柔索支撐系統(tǒng)的精確控制奠定了基礎(chǔ)。 4．通過對饋源艙柔索支撐系統(tǒng)動力學(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)的控制特點和適用的控制策略。進(jìn)一步，設(shè)計了一種將常規(guī)PI控制和Fuzz)，控制相結(jié)合的Fuzzy-PI混合離散控制策略來實現(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，而且具有常規(guī)PI控制

6、器的動態(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)計了一種帶有自調(diào)整因子的模糊控制規(guī)則。為了驗證該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)動跟蹤精度以及抗擾動能力。 5．根據(jù)KED(Kineto Elastio Dynamic Analysis)原理建立了柔性支腿Stewart平臺的動力學(xué)模型。解決了已知動平臺運(yùn)動規(guī)劃軌跡，求各滑動關(guān)節(jié)驅(qū)動力的動力學(xué)逆問題。由于充分考慮了動平臺慣性、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。這種動力學(xué)模型為研究Stewart平臺高精度軌跡跟蹤控制奠定了基礎(chǔ)。針對該機(jī)構(gòu)的非線性、強(qiáng)耦

8、合和多輸入多輸出等特點，設(shè)計了一種PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器(Proportional-Integral-Derivative Neural Network controller)來實現(xiàn)精調(diào)Stewart平臺的高精度軌跡跟蹤。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)簡單、可靠性高等特點。理論分析和數(shù)值計算結(jié)果表明