机电复合式恒力系统设计与分析.pdf

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1、硕士学位论文机电复合式恒力系统设计与分析DESIGNANDANALYSISOFMECHANICALANDELECTRONICSYSTEMPROVIDINGCONSTANTFORCE张勇哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V416.5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机电复合式恒力系统设计与分析硕士研究生：张勇导师：齐乃明教授申请学位：工学硕士学科、专业：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：V416.5U.D.C:629ThesisfortheMasterDegree

2、inEngineeringDESIGNANDANALYSISOFMECHANICALANDELECTRONICSYSTEMPROVIDINGCONSTANTFORCECandidate:ZhangYongSupervisor:Prof.QiNaimingAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyAffiliation:SchoolofAstronauticsDateofDefense:June,2018Degree-Confer

3、ring-institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着空间任务开展的不断深入，对地面物理验证试验的要求也越来越高，需提供更加逼真的零重力环境。本文为传统的五自由度卫星模拟器设计了一套机电复合式恒力系统以实现其竖直方向的零重力环境模拟。该系统具有恒力输出精度高、结构简单、体积小、抗干扰性强、成本相对较低和工作时间长等优点。系统主要由机械式被动恒力系统和电磁式主动力补偿系统组成。机械式被动恒力系统为纯机械结构，实现大重量的卸载，电磁式主动力补偿系统能够精确补偿力的残余误差。本文对机电复合式恒力系统进行了总体设计。机械式被动

4、恒力系统是基于刀式凸轮恒力弹簧的，对其核心部件进行了详细设计，分析其误差来源以及影响因素。电磁式主动力补偿系统主要分为作动器和气浮导向装置两部分，选用音圈电机作为作动器并对其原理、特点和数学模型进行了分析。简析了气浮导向装置的工作原理和特点，并进行了选型。本文利用基于试验的神经网络系统辨识的方法对机械式被动恒力系统建立了等价模型，设计并进行物理试验，分析其恒力输出精度，同时收集辨识样本，并将样本分为辨识组与对照组。利用三种不同的神经网络对辨识组样本进行了系统辨识，通过与对照组样本的比较，模糊神经网络具有更好的辨识精度和辨识效率，采用该方法的辨识结果作为机械式被动恒力系统的等价模型。该模型的

5、动态恒力输出误差即作为电磁式主动力补偿系统的控制目标。针对控制目标的非线性、阶跃性和不确定性的特点，提出利用模型参考神经网络控制方法进行系统控制设计，该控制方法具有自适应能力，提高响应速度，增强控制品质。通过力反馈器采集恒力系统力输出情况，构成反馈闭环，实现对音圈电机的控制。对控制系统中的各模块进行了数学建模，利用计算机对全系统进行控制仿真。通过对系统施加不同的外部激励，评估被控对象模型与参考模型差异、试验载荷运动状态和测量误差对机电复合式恒力系统恒力输出的影响。结果表明：模型差-5异所对恒力输出精度影响很小，误差率在10量级；试验载荷运动动态性越高，-4对恒力输出精度影响越大，但误差率最

6、大不超过10量级；在高动态情况下评估测量误差的影响，得出该干扰会对恒力输出精度造成较大的影响，总体误差率为0.3639%，优于精度指标，系统设计及控制效果得到了验证。关键词：零重力；神经网络；系统辨识；刀式凸轮恒力弹簧；模型参考I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththecontinuousprogressofspacemissions,therequirementofgroundphysicalverificationexperimentsbecomeshigherandhigher.Thus,theverisimilitudeofzero-gravityenviron

7、mentwillbeagreatproblem.Thepaperdesignsamechanicalandelectronicsystemprovidingconstantforceforthetraditionalfive-degrees-of-freedomsatellitesimulatortosimulatethezero-gravityenvironmentoftheverticaldirection.This