基于光滑技术的液体无穷模态晃动抑制研究

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1、基于光滑技术的液体无穷模态晃动抑制研究第1章绪论1.1研究的目的和意义在军事应用中，现代航天器需要携带更多的发动机液体燃料，以美国航空航天管理局（NASA）1997年发射的Cassini航天器为例，其携带的液体推进剂质量为3100kg，占航天器总质量的60%。航天器在变轨、交会、对接及装配过程中，液体推进剂可能会产生剧烈的晃动，根据外激励频率及腔体的几何形状不同，液体自由面可能会产生诸如晃动、旋转、非规则拍振、伪周期运动以及混沌等复杂的非线性运动，由此产生的晃动力及晃动力矩对整体系统的动力学有显著影响，甚至能导致贮液结构失效和航天器姿态失控[2]，我

2、国著名航天器姿态动力学与控制学者吴宏鑫院士指出：在液体远地点发动机工作期间，液体晃动和由燃料消耗引起的动力学特性的变化是航天器姿态控制的重大难题。实践表明，即使少量燃料（1.2kg）的晃动也足以引起灾难性的后果，这是导致美国试验5号卫星ATS-V（453kg）航天器失踪的主要因素。最近一次文献公开报道的航天器事故，是1998年美国航天管理局的近地号太空探测器在对433爱神小行星探测过程中所发生的，最终使得此次探测任务使命向后推迟了13个月[3]，而美国的空间10号卫星SPACEX在2007年由于其中一个燃料腔中的推进剂晃动导致了发射任务的失败[4]。

3、星载控制系统传感器传出的数据表明以上所发生的一系列事故均是由燃料晃动诱发大于预期的横向加速度所致。.1.2液体晃动抑制研究现状液体晃动的动力学过程非常复杂，强非线性，包含有无穷晃动模态，当液体大幅晃动时，液体晃动固有频率不再是常数并且阻尼也是非线性的，各阶晃动模态会产生共振，无法解耦处理。研究者们针对液体飞溅现象提出了很多控制方法，目前晃动抑制方法主要分为几类：被动控制（改进机械结构，增加阻尼），主动控制（在液面安装执行器或控制液面气压），闭环控制技术（线性控制，非线性控制，滑模控制，H控制，PID控制）和开环控制技术（InputShaping）。液

4、体晃动的被动控制指在贮箱结构上进行防晃设计来改变晃动特性进而实现晃动抑制。液体防晃设计是通过选择适当的贮箱几何形状和内部结构改变液体晃动特性参数如晃动频率、晃动质量、阻尼等实现晃动稳定条件。液体贮箱防晃设计的技术途径为：改变液体晃动频率，使其与载液系统刚体运动和控制系统频率不耦合；减小液体晃动质量，使得刚液耦合相互作用力和力矩减小；提高液体晃动阻尼比，增大液体晃动能量的衰减速度[10-13]。在贮液箱内增加防晃板和阻尼器增加了贮液箱的结构复杂性和重量，同时，防晃板和阻尼器的安装延长了贮液箱的制造周期，减少贮液箱运送的液体量，降低了液体运输效率；液体晃

5、动的主动控制是指通过有源元件直接或间接对液体施加作用来抑制液体的晃动。已有的文献都是以贮液容器的点到点传动为控制任务，使容器精确按照期望的轨迹运动，同时抑制液体晃动。描述晃动抑制效果的指标主要有：残余振动水平、时间最优、对参数摄动的鲁棒性等。主动控制实时监测液面晃动情况，通过驱动器实时控制液面的晃动，方法能够有效抑制液体晃动。VenugopalandBernstein[14]设计了两种液体晃动主动控制方法。第一种方法在液体自由晃动液面上安装执行器，通过控制液面气压的方式抑制容器内液体晃动；第二种方法通过在液面安装了一个执行器，根据实时监测液面状态，拍

6、打液面来抑制液面的晃动，大量的仿真结果证明了方法的有效性。主动控制方法需要安装执行器和传感器，这提高了控制系统的成本，增加了控制系统的复杂性，并且在很多工况下，控制器无法安装，例如冶金行业，高温液体表面很难安装执行器和传感器。..第2章矩形贮箱内液体无穷模态抑制研究2.1研究背景液体晃动动力学包含有无穷晃动模态，前人的研究成果致力于消除液体基础模态的晃动，而不考虑高阶晃动模态的影响。虽然第一晃动模态的影响较大，但是在实际晃动中，高阶模态的影响也很大，不能被忽略。本章的贡献在于分析了液体高阶晃动模态的影响，设计了两种控制方法，能够有效地抑制液体无穷模态

7、的晃动。第一种方法是利用基础晃动模态的频率作为设计频率，设计一种命令光滑器(mandSmoother)来消除液体晃动；第二种方法是InputShaping与命令光滑技术复合结构，InputShaper用来抑制液体基础晃动模态，命令光滑器抑制三阶及更高阶模态的晃动。两种方法都能将液体的瞬态晃动和残余晃动抑制到很低水平，但是复合控制器的延迟时间比光滑器的延迟时间短。本章结构如下：在第2.2节建立了矩形贮箱内液体二维晃动的动力学模型；在第2.3节阐述了两种控制策略的设计过程，并在不同工况下仿真；在第2.4节，通过实验验证了动力学特性和控制方法的有效性；最后

8、在2.5节，对本章内容进行小结。.2.2液体二维小幅晃动动力学建模图2.1所示为液体二维晃动的示意图，矩形容