《输入成型法与模糊pid抑制卫星挠性振动问题上应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《输入成型法与模糊pid抑制卫星挠性振动问题上应用（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目 挠性卫星振动抑制的主动控制研究专 业 自动化 学 号 1110410420 学 生 指 导 教 师 答 辩 日 期 2015.06.29 摘要 本文主要研究基于主动控制的挠性卫星振动抑制问题。具有弱阻尼的太阳帆板结构会产生挠性振动，其振动模态频率在系统带宽之内，不能用传统的频带隔离法进行抑制，需要引入新的方法。 本文第1章研究课题来源及研究目的意义，并对振动抑制的国内外研究现状进行了分析。 本文第2章针对挠性卫星进行建模分析，包含多阶挠性振动模态，并针对这一控制对象，利用希望频率特性法设计控制器，然后对影响振动的多种因素进行了论证分
2、析。本文第3章首先从输入成型法的原理推导入手，这种方法的实质是将信号拆分为几个延迟信号，使其相互之间的暂态响应相抵消从而消除由输入或卫星机动产生的振动。然后介绍了几种常用的输入成型器并对它们进行了仿真研究。最后讨论了输入成型法的设计及其优缺点。本文第4章从经典PID控制的理论原理分析入手，分析了PID参数对调整系统动、静态特性的作用。并基于这些原理，结合模糊控制，设计了适用于本论文模型的模糊PID控制器，对模糊PID与经典PID控制器的作用效果做出了仿真研究。经典PID与模糊PID控制在减小结构振动上都是有效的，但模糊PID控制的鲁棒性更强，阶跃响应的动态特性更好。关键词：挠性振动；弱阻尼；主
3、动控制；输入成型法；PID控制；模糊控制； Abstract This paper deals with the flexible appendages vibration suppression based on the active control. Weak damping is the major cause of the flexible vibration, namely that the low-order vibration modes are within the system bandwidth. For the purpose of flexible vibration
4、suppression, the classic band isolation method isnt an effective way and new methods should be introduced. In the first section, we discuss the domestic and abroad research status, and introduce the significance and source of the topic. We build the dynamic modal and control system of the spacecraft
5、 with flexible appendages, which contains multiple modes of vibration .Its obvious from the system step response that the output of the spacecraft consists of share of the multiple modes vibration, which results in the consequence that the response adjustment time extend significantly and dynamic ch
6、aracteristic is violated.We started by derivation of ZV input shaping theory. Then we introduce many kinds of other improved input shaping controllers and utilizing them simulate the system. Afterwards we discuss the limits and advantages of the input shaping. As a solution, we design a closed loop
7、controller, combining input shaping and PID controller. The next section begin with the analysis of classic PID control theory, which means the affects of the PID controller parameters to the dynamic and static characteristic. And we combine the PID control theory and fuzzy control theory to design
8、a fuzzy PID controller for the modal we researched. Moreover, we make a contrast between classic PID controller and fuzzy PID controller by simulation. Both the two methods is efficacious for declining the structure vibration. The advantage of the fuzzy controller is the online self-tuning namely a
9、higher robustness and better dynamic characteristic. Key words: flexible vibration; weak damping; active control; input shaping; PID control; fuzzy control目录摘要.IVAbstract.IV第1章 绪论21.1课题来源及研究目的和意义51.2国内外研究现状和分析61.2.1国内外挠性振动导致的航天器事故分析61.2.2振动抑制方法研究71.3主要研究内容及章节安排2第2章 动力学建模与振动抑制方法分析42.1挠性航天器动力学建模研究42.2
10、无振动模态的理想卫星系统仿真设计72.3带有弱阻尼模态的挠性卫星控制系统设计92.4研究不同的阻尼系数对卫星控制系统性能的影响142.6本章小结17第3章 基于输入成型理论设计系统主动控制183.1输入成型理论研究183.2输入成型的基本设计研究193.2.1几种常用的输入成形器203.2.2基于脉冲响应设计输入成型器分析223.2.3基于零极点对消原理设计输入成型器分析243.2.4 多模态系统的输入成形器的设计253.3 输入成形与PD控制的联合控制323.4本章小结38第4章 基于模糊PID的振动抑制研究394.1经典PID控制理论394.2模糊控制系统基本理论404.2.1变量的模糊化
11、404.2.2模糊推理与模糊规则库414.2.3解模糊化424.3基于模糊PID控制器的挠性卫星振动抑制研究424.3.1确定模糊规则434.3.2建立仿真模型及模糊逻辑控制系统（FIS）模块参数设置454.3.3模糊PID与经典PID控制系统性能对比分析474.4本章小结50结论51致谢52主要参考文献53哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）原创性声明54附录55VI第1章 绪论1.1课题来源及研究目的和意义1957年10月4日，苏联运载火箭成功地发射世界上第一颗人造地球卫星，开始了人类征服太空的新时代。世界航天已走过半个多世纪的历程，曾经应用的、正在运行的和将要发射的各类航天器数不胜数，包括
12、人造地球卫星、载人飞船、空间站、宇宙探测器等应运而生。随着航天事业的发展，卫星的应用越来越广泛，各种性能指标要求也越来越高，对卫星姿态控制系统的姿态确定和姿态控制精度的要求也越来越苛刻。航天器作为大型空间结构，具有大型化、低刚度、挠性化、多功能的发展方向，大多数航天器都利用太阳能为其提供必要的能量。航天器越大，需要能量越多，太阳能帆板面积就越大，相应结构挠性也就越大，对应振动模态的频率越低。太阳能帆板是航天器上最典型、最常见的挠性结构。除此之外，还有其他类型的挠性结构，如天线、机械臂、探测器支撑桁架等。这种中心刚体带外伸挠性附件的航天器被广泛用于通信、导航、气象资源观测等，这种多体系统，自身具
13、有的跨度大、质量轻、刚度低、强耦合、结构阻尼弱、板间连接刚度低等特殊性，任意一个微小的扰动都极易激起结构的振动。而本体的机动不可避免的引起附件的振动，反过来附件的持续振动不但影响附件本身的工作性能，而且还影响到主体的运动精度与姿态稳定，卫星的挠性附件与中心刚体在经历大范围运动时，出现了挠性体弹性运动与大范围中心刚体运动的强耦合，这会对航天器的姿态控制精度造成很大影响1。引起航天器挠性结构振动的干扰可以归结为两种，分为外界干扰：如空间碎片、太阳风、热辐射、温度冲击等外部干扰；以及自身激励：航天器的调姿、变轨运动、控制系统的极限环振荡，航天器内部机构的运动等产生的内部扰动2。卫星内部可动部件的运动
14、引起的干扰力矩，一般是影响高精度姿态控制的重要因素，有时甚至是决定性因素。如太阳帆板驱动机构转动、定向天线运动等，这些运动部件的多模态振动与卫星姿态运动之间的相互耦合，直接影响卫星姿态。产生扰动的这些因素是客观存在、无法回避的，在运行过程中，因此航天器挠性结构的振动是难以避免的。 如果能通过合理的控制手段有效抑制大型挠性结构的振动，将提高航天器的控制精度、稳态与安全性，挠性结构的振动控制问题是航天器设计中的一个关键性问题。因此，对航天器挠性结构的振动抑制势在必行。本设计将围绕挠性航天器的建模分析、振动抑制的控制问题进行研究、并进行仿真验证。1.2国内外研究现状和分析1.2.1国内外挠性振动导致的航天器事故分析 由于太空环境中不存在大气阻尼，卫星振动部件的振动一旦被激起，就很难自行衰减3。这种振动对航天器是非常有害的：轻则，降低航天器的姿态稳定度和指向精度，影响图像质量，或者使航天器姿态控制系统为了克服挠性结构的振动干扰频频工作而消耗燃
