非接触式Stewart无扰超静平台碰振动力学与自抗扰复合控制研究

With increasingly imaging resulution, ultra-high attitude stability is required in space cameras, interometer and other precise optical instruments, however, some space imaging instruments with high stability can not provide sufficent performance due to reaction wheels, Stirling coolers and other disturbance sources. To suppress the attitude jitters of sensitive instruments and provide ultra-quiet dynamic environment, this project will propose the vibro-impact modeling and self-rejection control approahces of a special non-contact Stewart platform. First, this project will investigate the vibro-impact modeling and identification methods of one degree-of-freedom actuator as well as the optimization of the actuator space and groove. Next, this project will apply the modeling and control methods to the non-contact Stewart platform, additionally will investigate the disturbance self-rejection active disturbance rejection control to overcome the vibro-impact effect and achieve ultra-quiet envirenment and ultra-high stability. Finally, the simulation platform of a sensitive instrument will be constructed to validate the effectiveness of the proposed approaches. The vibro-impact modeling and disturbance self-rejection control approahces in this project will provide an integrated design method and tool for the achievement of ultra-quiet envirenment in next generation high-performance payloads.

随着成像分辨率的提高，空间侦察相机、干涉仪及其他光学精密设备要求极高的姿态稳定度，而反作用飞轮、斯特林制冷机等扰动源使得卫星上一些高稳定度的成像设备发生抖振而不能高性能工作。为抑制敏感设备姿态抖振，保证姿态稳定度，本项目将针对一种特殊的非接触式无扰Stewart平台，提出碰振动力学的建模方法和防碰撞自抗扰控制方法，在载荷平台上实现超静意义上的力学环境。首先；以非接触式单自由度作动器为对象，研究碰振动力学的建模和辨识方法，并优化作动器空腔和沟槽间隙；其次，把建模和辨识方法推广到非接触式Stewart平台，并研究自抗扰控制方法克服载荷进行姿态机动时的碰振影响，实现超静力学环境和超高稳定度；最后，针对某类敏感设备，搭建仿真平台，验证本项目提出研究方法的有效性。本项目提出的非接触式Stewart碰振动力学和自抗扰控制方法，将为我国新一代高性能载荷超静力学环境的实现提供一体化的设计方法和工具。

本课题以非接触式Stewart无扰超静平台为研究对象，针对音圈式Stewart无扰超静平台构型设计与优化、碰振动力学、防碰撞设计、高精度复合姿态控制等内容开展了基础理论和关键技术研究，总体上取得了如下成果：. 首先提出了一种基于音圈式Stewart平台的非接触式卫星概念，研究了其结构特点、应用优势和难点,接着从运动基础理论、坐标变换等方面对建立在惯性坐标系下的6自由度Stewart平台进行了研究，优化了结构，然后采用雅克比矩阵推导了广义坐标与作动杆长的变换关系。. 针对所提非接触式Stewart无扰超静平台，研究了碰撞-振动动力学理论与建模方法，建立了约束条件下的碰振动力学模型，分析了碰振响应和参数对碰振模型的影响，采用数值模拟方法对恢复系数等碰振参数进行了初步辨识。. 针对关键部件音圈作动器，基于电磁作用原理研制了非接触式音圈作动器，对音圈作动器进行输出力建模，搭建了测试平台对作动器主要参数进行测试，基于测试样本数据进行参数辨识，得到了音圈作动器的准确模型。. 针对碰撞优化问题，首先采用有限元方法，优化音圈作动器的结构间隙及相关参数，从结构层面防止碰撞，接着研究基于滑模控制的避碰控制算法，精确控制两舱相对位置，降低控制频次，多角度避免非接触Stewart平台碰撞行为的发生。. 针对非接触结构引起的Stewart无扰超静平台的控制难题，研究了复杂多回路多层次的控制体系，基于鲁棒、滑模等先进控制技术研究了高精度自抗扰姿态控制方法，搭建了可视化仿真平台，仿真验证了所提控制体系及算法在高精度姿态控制中的有效性。. 本课题的成功实施有助于填补非接触式新型卫星平台这一概念的空白，为我国下一代超高精度、超高分辨率卫星提供技术支撑。