三轴气浮台质量特性优化设计及其参数辨识方法研究.pdf

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1、硕士学位论文三轴气浮台质量特性优化设计及其参数辨识方法研究RESEARCHONOPTIMIZATIONDESIGNANDIDENTIFICATIONMETHODOFMASSPROPERTYFORTHREE-AXISAIR-BEARINGSIMULATOR林海奇哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V417.6学校代码：10213国际图书分类号：629密级：公开工学硕士学位论文三轴气浮台质量特性优化设计及其参数辨识方法研究硕士研究生：林海奇导师：齐乃明教授申请学位：工学硕士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天工程系

2、答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V417.6U.D.C:629DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringRESEARCHONOPTIMIZATIONDESIGNANDIDENTIFICATIONMETHODOFMASSPROPERTYFORTHREE-AXISAIR-BEARINGSIMULATORCandidate：LinHaiqiSupervisor：Prof.QiNaimingAcademicDegreeApplie

3、dfor：MasterofEngineeringAeronauticalandAstronauticsSpeciality：ScienceandTechnologyAffiliation：Dept.ofAerospaceEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要三轴气浮台可用于航天器的全物理仿真试验，可以模拟低重力、微摩擦的空间环境，在地面进行卫星的

4、整星级的姿态动力学试验。为了保证试验顺利进行，需要使得三轴气浮台质心相对气浮球轴承球心的偏离尽量小，而且具备与真实航天器相同的转动惯量。为了保证气浮台质量特性可以达到设计要求，在初期设计阶段必须对转台搭载的载荷进行布局优化设计。考虑到实际研制过程中存在一些转动惯量未知以及不可建模的组件，实际的质量特性与设计的理论值存在差异。为了便于转台质量特性的量化评估，可通过辨识获得其质量特性。针对三轴气浮台质量特性的优化设计和参数辨识问题，本文展开了以下研究工作：首先，针对三轴气浮台质量特性优化设计问题，提出一种基于粒子群的载荷布局

5、优化设计方法。以载荷形心位置和载荷转角为设计变量，以质心位置和转动惯量为优化的性能指标，建立设备的布局优化模型，并给出了载荷间几何不干涉算法。采用线性加权和法将多目标优化问题转化为单目标优化问题求解。然后通过粒子群优化算法进行仿真，证明了该质量特性优化设计算法行之有效。其次，针对三轴气浮台质量特性参数辨识问题，建立三轴气浮台的姿态动力学模型。通过仿真对比基于3D摆的姿态动力学模型和简化的姿态动力学模型，发现在质心偏量不大的前提下，两模型对姿态运动的描述差别不大。故采用简化的姿态动力学模型进行参数辨识。接着，提出了两种基于

6、最小二乘法的三轴气浮台转动惯量和质心位置联合参数辨识方法。一种是以转台姿态动力学方程为原型并结合跟踪微分器而建立的TD-RLS参数辨识模型。另一种是以积分形式的姿态动力学方程为原型建立的IRLS参数辨识方程。通过数学仿真发现IRLS方法在辨识精度和收敛速度上优于TD-RLS。但是，这两种方法对惯性积和质心位置这种小量的辨识精度都不高。最后，为了解决小量辨识精度不高的问题，提出了一种转动惯量和质心位置并发递推辨识的策略。为了对比分析联合参数辨识方法和并发递推参数辨识方法的区别，采用奇异值分解的方法对两种方法的观测矩阵进行了

7、可辨识性和可辨识度分析，发现并发递推算法可大幅度减小观测矩阵的条件数，提高观测矩阵的性能。通过数学仿真对并发递推辨识算法进行验证，结果表明并发递推辨识算法可大幅度提高小量的辨识精度。关键词：三轴气浮台；质量特性优化设计；参数辨识；粒子群优化算法；递推最小二乘I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThree-axisair-bearingsimulator,asasatellite'sfullphysicalsimulationtestplatform,canbeusedtosimulatethemicro-gr

8、avity,low-frictionspaceenvironmentandsupportfull-starin-orbitattitudedynamictestsontheground.Toensurethesuccessofthetests,itisnecessarytominimizethedeviationof