基于势能守恒的微低重力模拟系统研究

为满足航天任务验证和航天员地面训练需求,研发了一种基于势能守恒原理的微低重力模拟装置,该装置结构简单、制造维护成本低、可模拟任意重力环境。本文以该微低重力模拟系统为研究对象,对重力补偿原理进行推导并导出弹簧刚度与系统构件惯性参数间关系;采用Lagrange第二类方程建立了系统的动力学模型,并基于MATLAB软件仿真验证了航天员经该微低重力模拟装置进行重力补偿后的静力学、动力学特性,此外针对航天员在月球表面跳跃的工况进行仿真分析。仿真结果表明,系统能很好的实现任意重力的静态补偿,较好的实现动态补偿,能很好满足航天员在月跳跃工况的训练。针对动态补偿存在微小偏差问题,提出了系统摩擦补偿和惯性补偿思路。     

基于势能守恒的被动式微低重力模拟系统平衡因素研究

航天工程的发展对微低重力环境的地面模拟提出了长期使用、部署方便的要求,基于势能守恒的被动微低重力模拟系统是一种合适的手段。由于系统的摩擦、阻尼、自身重力等非理想特性,该类系统的模拟精度、动态性能、性能稳定性受到很大影响。本文针对势能守恒系统中的关节力矩和阻尼展开分析,依据第二类 Lagrange 方程建立动力学模型并结合仿真进行验证分析,得出关节力矩、弹簧组件中阻尼是影响被动式微低重力模拟系统平衡的关键控制参量。同时根据系统受激励后的特性确定了一种阻尼系数取值的单曲函数定量约束的方法,并且进行了案例研究,为相关系统的平衡性研究提供了定量依据和分析方法。     

四自由度绳驱动刚柔混合式波浪运动补偿机构的动力学建模

为了避免船舶过驳吊运过程中货物与甲板间的碰撞,提出一种安装在船用吊装设备的四自由度绳驱动刚柔混合式波浪补偿运动机构。首先,设计该波浪运动补偿机构的实验装置,基于螺旋理论验证该波浪运动补偿机构的可行性。然后,基于代数法建立该波浪运动补偿机构的位置正/反解模型,并推导该补偿机构结构的运动学模型,最后,基于牛顿-欧拉法建立该波浪运动补偿机构的系统动力学模型,运用仿真软件对所推导的数学模型进行验证。研究结果表明:该波浪运动补偿机构的位置正/反解的误差数量级为10-5 mm;运动学和动力学模型的MATLAB数值模拟结果与Adams虚拟样机的结果基本吻合,最大相对误差为理论值的1.6%,在可接受的范围内,表明本文提出的四自由度绳驱动刚柔混合式波浪运动补偿机构能够实现主动波浪运动补偿。     

中性浮力下实验体模拟对地定向控制律设计

中性浮力法是模拟空间微重力环境的一种常用手段,其原理是利用水的浮力平衡物体所受的重力,使物体处于漂浮状态。该方法模拟的微重力环境相似度高,持续时间长,可以提供6自由度运动模拟,因此采用该方法实现空间飞行器空间任务的地面模拟演示和功能验证是可行的。本文研究了中性浮力下实验体模拟对地定向控制律设计问题。文中首先根据流体力学和动量矩定理推导出实验体的姿态动力学方程,并通过本体坐标系与参考坐标系的关系,得出用于控制的动力学方程;然后在理想状态下基于该动力学方程,使用Lyapunov方法设计实验体模拟对地定向控制律,并证明了闭环系统的渐进稳定性;最后通过仿真验证了控制算法的性能。为中性浮力环境下实验体的空间任务模拟提供理论基础。     

主操作手重力补偿下的时延控制

针对自主研制的应用于外科手术的三维力反馈型主操作手的重力补偿问题,对主操作端控制中产生的时延进行深入分析,利用多线程、多事件技术尽可能降低主操作端的时间时延。通过矢量分析的方法得到电机为平衡位置机构静力平衡所需的输出力矩。分别在ADMAS和MATLAB环境下,进行仿真对比分析。仿真结果验证了建立的系统动力学模型的正确性。该重力补偿方法可以满足主操作手的重力平衡要求。     

基于神经网络重力前馈补偿的柔性关节机器人分层控制

针对柔性关节机器人简化动力学模型,根据连杆侧和电机侧间的扭矩通过弹性单元耦合的特性提出基于分层控制的柔性关节机器人分层控制结构,利用奇异摄动理论给出系统的稳定性证明.由于柔性关节机器人的动力学参数无法准确测量,因此提出应用BP神经网络模型对机器人的重力扭矩进行逼近.通过四自由度柔性关节机器人进行离线实验,实现对神经网络的训练,并验证神经网络模型的有效性.最后应用提出的重力前馈补偿分层控制算法实现对机器人的有效控制,验证该算法的可行性和有效性.     

基于专家决策的TSC+DSTATOM混合无功补偿装置

针对传统晶闸管投切电容器(Thyristor Switcher Capacitor,TSC)只能分级补偿,补偿精度差,响应速度慢和配电网静止同步补偿器(Distribution Static Var Compensator,DSTATCOM)造价高,补偿容量不大的缺点,提出一种由TSC和DSTATCOM构成的混合无功补偿装置。该系统能够结合TSC补偿容量大、成本低和DSTATCOM连续补偿且补偿精度高的优点,采用基于专家决策的控制策略,使两者相互协调运行。对混合无功补偿装置结构和原理进行介绍,并对补偿原理进行分析,设计基于专家决策的混合型动态无功补偿器(Hybrid Var Compensator,HVC),再分别描述两者的装置和控制策略,最后通过Matlab仿真,验证该装置达到了高精确度的混合无功补偿要求。     

海洋钻井天车升沉补偿关键结构参数设计

为研究海洋浮式钻井天车升沉补偿装置的关键结构参数,根据天车升沉补偿装置的工作原理建立了系统的数学模型,并进行动力学数值模拟,从系统动态特性和能耗角度设计了补偿缸固定铰接点安装位置、补偿缸缸径等重要参数,分析了气瓶体积和固定铰接点位置对系统性能的影响规律.结果表明:从系统动态性能与能耗角度分析,平衡位置时补偿缸倾斜18°效果最佳;增加气瓶体积及补偿缸初始长度可提高系统动态性能与节能效果,但受平台安装空间和成本的制约,综合考虑确定气瓶体积为20.5 m~3,平衡位置补偿缸长度为13.2 m.     

多驱动的平地机工作装置系统动力学仿真研究

基于系统动力学分析软件ADAMS,建立了工作装置虚拟样机模型、模拟典型作业方式,实现了完整的运动学、动力学分析仿真过程,并结合某企业平地机工作装置的设计实例,对各作业方式下的机构运动进行了设计验证.通过进一步的仿真分析获取了各作业方式下工作装置运动学特性以及工作装置部件的动力学性能,并基于有限元分析软件Hy-perworks对工作装置部件进行了强度校核.结果表明,该方法有利于对工作装置的结构设计、机构优化以及结构拓扑优化.     

表取采样机构悬吊式低重力补偿装置设计

在探月工程三期中,为了满足表取采样机构地面试验环境构建的要求,在调研重力补偿方法的基础上,设计表取采样机构悬吊式低重力补偿装置.根据表取采样机构运动规律,确定了"补偿装置与表采机构运动对应一致"的设计思想,形成了主、从臂配重补偿方案,对装置设计进行详细的理论分析,完善了重力补偿装置的结构设计.     

载体驱动硅微机械陀螺的电学模型研究

本文针对载体驱动硅微机械陀螺的动力学特性，建立了基于微机械陀螺机械振动特性和电学特性的等效电路模型，利用电学模拟工具Pspice对模型进行了验证。模拟分析与实验结果表明，采用机电模拟方法建立的微机械陀螺电学模型可替代动力学模型，用于接口电路的设计与仿真， 利用该模型设计的电路能满足载体驱动硅微机械陀螺性能指标的要求。     

基于微分几何方法和最优控制的混沌同步

基于微分几何方法和二次型性能指标最优控制原理研究了同结构混沌系统之间的同步问题。对于误差动力学系统的相对阶等于系统状态空间维数的情形,依据Frobe‐nius定理确定了用于非线性坐标变换的输出函数,对误差动力学系统进行了状态反馈精确线性化而得到了线性可控的正则形,从而确定了混沌同步的控制器。以Rossler系统为例的仿真模拟,验证了该方法的有效性。     

空间机器人的SVM非线性补偿滑模控制研究

为提高机械臂末端跟踪目标轨迹速度, 提出了一种基于SVM(Support Vector Machine)非线性模型估计的滑模控制方法。该方法通过SVM对参数不确定非线性项进行估计, 对空间机器人动力学模型进行补偿。这种从整个闭环系统稳定性出发设计的SVM非线性补偿滑模控制器, 不需要确切的数学模型, 从而提高了快速跟踪目标轨迹, 减小跟踪误差的动力学系统性能。仿真结果验证了该控制方法的有效性、可行性。     

基于高精密总加器原理的强直流校验方法研究

提出了基于高精密电流总加器原理的强直流校验方法.该总加器测量原理是以磁调制式直流电流比较仪原理为基础,以0.005%的高精度实现多路直流电流直接总加,解决了通过标准电阻进行间接电流总加的传统方法带来的精度低、受温度影响等问题.提出了绕组公约数原理与传感器误差补偿原理,解决了传感器的不同变比与传感器误差的影响问题.该校验方法构成以总加器为核心的总加测量校验系统,从而完成对强直流总电流测量装置的校验.最后,通过Matlab仿真与自校实验,验证了总加测量校验系统的精度等级能够达到0.005级.     

单周控制新型静止无功发生器的应用研究

针对配电网中电能质量低的问题,在无功补偿系统中运用新型静止无功发生器(ASVG)实现无功补偿;在分析单周控制(OCC)技术和单周控制新型静止无功发生器(ASVG)工作原理的基础上,利用单周控制形成的PWM波,对单相ASVG进行控制;设计单周控制的数字控制器,达到系统所需的无功补偿效果.对单相ASVG进行建模以及闭环控制的Matlab/Simulink的仿真,并进行实验验证.实验结果表明该装置在单周控制下,直流侧电容电压在工作过程中波动较小,动态响应速度较快,稳态补偿精度能够满足工程中无功补偿的需要.     

三相不平衡调节及无功补偿装置

本文阐述了配电系统三相不平衡调节及无功补偿原理。利用该原理可有效地调节低压配电网中的三相不平衡负荷及对功率因数进行补偿,使变压器的负荷得到合理的分配。并介绍了一种新型无功补偿装置,该装置与传统的无功补偿装置相比较,可以使零序电流减少很多,电压不平衡大幅降低,功率因数提高,是传统的无功补偿装置升级换代产品。     

系绳拖曳半物理试验装置设计与方案可行性验证

空间绳系系统需进行地面试验,以验证其理论研究结果的正确性。针对其非线性动力学模型较为复杂,地面难以模拟太空复杂情况而不易开展全物理试验的问题,设计了系绳拖曳地面半物理仿真试验装置。其中,仿真系统中系绳收放与张力控制部分以实物的方式引入仿真回路,拖曳过程中系统动力学部分以数学模型描述并转化为仿真计算模型,与实物部分构建成半物理仿真闭合回路。采用基于模糊PID的主从位置闭环控制器对张力控制器进行控制,搭建半物理试验装置拖曳过程simulink仿真模型,对闭合回路实现仿真计算以验证半物理试验装置方案设计的可行性。仿真结果表明：(1)张力控制器满足半物理加载机构对模拟被动星的系绳控制指令要求;(2)半物理试验装置设计方案原理正确,可通过模拟不同工况下动力学模型特性,考核系绳收放装置性能。     

空间对接整体动力学仿真系统稳定性分析

为了在地面模拟空间对接的动力学过程,对其动力学仿真系统进行了研究.描述了动力学综合实验台的工作原理,提出能模拟空间对接过程的动力学仿真问题.对空间对接整体动力学仿真系统的物理参数进行了合理配置,并对其稳定性进行了分析.试验结果验证了相应结论的有效性.     

轴对称贮箱内液体大幅晃动的复合等效力学模型

航天工程中普遍使用等效力学模型描述液体晃动动力学,但基于线性理论的传统等效力学模型在大幅晃动中的适用性较差、精度较低.为此本文提出适用于常/低重力环境下液体大幅晃动的复合等效建模方法.以轴对称贮箱为例,提出了大幅晃动下跟随等效重力的液体动平衡位置确定方法,建立了球面摆形式的复合等效力学模型,并推导了等效系统动力学方程.为验证该建模方法有效性和模型准确性,对大幅平动和转动激励下三维圆柱形贮箱和Cassini贮箱内液体的晃动力和力矩、质心位置等进行了计算,并将复合等效力学模型、传统等效力学模型及计算流体动力学软件的计算结果进行了对比分析.结果表明,该复合等效力学模型可对液体大幅晃动的动力学响应进行较为准确的预测.     

三轴姿态控制仿真系统快速自动精确调平方法研究及仿真

基于三轴气浮转台的航天器姿态控制仿真系统在进行地面实验时,往往会受到由于重心与气浮球轴承球心不重合带来的重力干扰力矩的影响,降低仿真实验结果的可信度。该文针对现有调平手段用时长、精度低的问题,提出了一种可以快速自动精调平的方法,该方法利用仿真系统实验的稳态阶段过程动态变化小的特点,可以精确地估计并补偿重力干扰力矩,可为航天器姿态控制地面全物理仿真实验提供近似零干扰力矩的仿真环境。建立了重力干扰力矩的数学模型和基于动量执行机构控制的地面全物理仿真系统的动态系统数学模型,设计了系统稳态控制阶段干扰力矩观测器和补偿方法,介绍了自动调平的硬件机构。最后通过实际仿真实验证明了该方法的有效性。实验结果表明,这种自动调平方法可快速将由重力引起的10mNm量级干扰力矩减小到1mNm以内,满足航天器姿态控制地面仿真的需要。