超大型天线馈源指向跟踪系统的力学分析及控制研究

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1、摘要在国家自然科学基金重点项目的支持下，基于前人的工作，本文主要对新一代超大口径球反射面射电望远镜FAST(Five-h啪dredMeterApem雌SphericalRadioTelescope)馈源指向跟踪系统的力学分析与控制进行研究。完成的主要工作和取得的研究结论归纳如下：1．基于柔索的弹性悬链线方程，针对超大型天线的特点，建立了FAST馈源舱柔索支撑系统的非线性静力学模型，导出了系统静态刚度矩阵的解析表达式。由刚度表达式可见，系统刚度与馈源舱的位姿、舱索固接点的位置、柔索数目以及柔索拉力有关。最后，通过数值算例和物理实验验证了分析方法的正确

2、性和有效性。2．根据馈源舱柔索支撑机构交流伺服驱动系统的等效电路模型，建立了由伺服驱动电机到卷扬机的机电系统的动力学模型。在该模型中不但考虑了摩擦非线性环节的影响，而且还考虑了未建模动态等干扰的影响。在此基础上，针对该交流伺服驱动系统，设计了一种模糊滑模控制方法。这种方法通过分阶段的加入指数趋近控制来加快系统响应，同时利用模糊控制器实时调整滑模控制的趋近律参数。不仅保证了控制系统的快速性和鲁棒性，而且有效地削弱滑模控制的颤动；另外，该控制方案设计简单，便于工程应用。以馈源舱柔索支撑系统交流伺服驱动机构为对象进行数值仿真，结果表明这种控制方法能够获得

3、良好的控制精度和较强的鲁棒性。进一步证明了理论分析的正确性和设计方法的有效性。3．应用拉格朗日方程建立了馈源舱柔索支撑系统的动力学模型，解决了已知馈源舱运动轨迹，对馈源舱柔索支撑系统的逆运动学、逆动力学问题。同时，在考虑舱体动态运动过程中惯性力影响的前提下，进行馈源舱柔索支撑系统的轨迹规划，进一步可求解特定长度的柔索对处于某一位姿的馈源舱的作用力，并采用具有二次收敛性的Ne叭on—Rap

4、lson迭代法进行解算，得到了更快的求解速度以满足控制的要求。数值计算结果表明，舱体中心的运行轨迹与运动要求相吻合：索长、舱体沿各坐标方向的位移、速度和加速度符合

5、周期变化曲线；舱体上作用力的数值合理；从两验证了所建立的馈源舱柔索支撑系统的动力学模型是正确的。同时为进一步实现馈源舱柔索支撑系统的精确控制奠定了基础。4．通过对馈源舱柔索支撑系统动力学的强非线性、参数不确定性以及受到外界干扰等系统特性的分析，探讨了该类控制系统的控制特点和适用的控制策略。进一步，设计了一种将常规PI控制和Fuzzy控制相结合的Fuzzy．PI混合离散控制策略来实现馈源舱轨迹跟踪控制。这种控制策略不仅能发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应快的特点，而且具有常规PI控制器的动态跟踪品质和稳态精度。在此基超人刑天线馈源指向跟踪系统的力学分析及

6、控制研究础上，为了进一步提高FuzZy—P1混合离散控制系统的适应能力，设计了一种带有自调整因子的模糊控制规则。为了验证该Fuzzy．PI混合离散控制算法的优良控制性能，在相同给定条件和扰动下把FuzZy—PI混合离散控制算法与常规模糊控制和离散非线性PID控制算法进行了比较研究。数值计算及结果分析表明，该FIlzzy-PI混合离散控制方法可在较大程度上补偿系统的非线性特性，并能提高系统响应的快速性、运动跟踪精度以及抗扰动能力。5．根据KED(砥netoElastioDyllarnicAnalysis)原理建立了柔性支腿stewart平台的动力学模

7、型。解决了己知动平台运动规划轨迹，求各滑动关节驱动力的动力学逆问题。由于充分考虑了动平台惯性、支腿惯性、支腿弹性和关节摩擦等因素，保证了模型的准确性。这种动力学模型为研究Stewan平台高精度轨迹跟踪控制奠定了基础。针对该机构的非线性、强耦合和多输入多输出等特点，设计了～种PID神经F回络控制器(Proponional一Imegral一DerivativeNellralNe铆orkcon劬11er)来实现精调stewan平台的高精度轨迹跟踪。这种PID神经网络控制策略采用基于优化神经网络的PID解耦控制，将PID控制规律融进神经元之中，既具有神经网

8、络自学习、自适应及逼近任意函数的能力，又具有常规PID控制器结构简单、可靠性高等特点。理论分析和数值计算结果表明了该方法的有效性。关键词：柔索支撑系统；非线性刚度分析；交流伺服驱动系统；模糊滑模控制；非线性动力学分析；F1lzzy-PI混合离散控制；柔性stewart平台：PID神经网络控制；轨迹跟踪AbstractABSTRACT1hisworkwassupponedbyChineseNationalNaturalScienceFoundationllIlderGrantNo．i0433020．onthebasisof幽epredecessorw

9、ork，t11ispaperismailllyconcemed砸幽t11emechaIlicsanalysis觚dcont