25 m射电望远镜俯仰系统的全过程建模

最优控制可有效提高大射电望远镜的指向精度,但其控制器设计需要精确的被控对象模型。为此,文中依据其有限元模型,建立了俯仰系统从电机到副面运动的全过程模型。首先,应用模态坐标法建立了大齿轮和主反射面模型,体现了结构主体刚柔混合特性;然后,应用Euler-Bernoulli梁方程式推导了副面撑杆和副面模型,反映了结构末端柔性;最后,通过仿真分析验证了该建模方法的准确性和有效性。与目前已有的射电望远镜建模方法相比,该方法的优点在于在天线设计阶段就可模拟各部分的实际运转状况,可提前发现不足。     

LT50m缩比模型舱索系统与Stewart平台动力学耦合分析

安装在大型射电望远镜(LT)悬挂馈源舱中的精调Stewart平台子系统与舱索粗调子系统之间存在动力学耦合，通过在LT原六索设计方案中增加下拉主动索系构成八索方案可以提高舱索系统的刚度，降低两级调整系统之间的耦合。在两级调整系统耦合动力学模型的基础上，针对LT50m模型的六索和八索设计方案进行了刚柔混合多体系统动力学仿真。结果表明，八索设计方案能够显著地降低二者之间的耦合，是系统解耦的一种有效途径。     

提高超大型天线索支撑结构刚度的方法及其对电性能的影响

针对新一代大型球面射电望远镜馈源舱索支撑结构存在扭转刚度低的问题,提出增加稳定索系以提高扭转刚度的方法.稳定索系由3根下拉索构成,每根稳定索的上端与馈源舱连接,下端通过导向滑轮与吊重相连.在馈源舱支撑结构因外部扰动发生振动时,稳定索系起到动力吸振作用,有效提高结构的刚度.考虑大跨度悬索自重对悬索形状和张力的影响,建立包含稳定索系在内的馈源舱索支撑结构的系统非线性平衡方程.给出在外部干扰作用下,改型前后结构位移响应的对比,并通过5 m试验模型验证该方法的有效性.进而,绘制天线方向图,从增益、第一副瓣电平、交叉极化等方面,对增加稳定索系可能带来的对天线电性能的影响进行定量分析.理论分析与试验结果说明,增加稳定索系的支撑方案可以应用于500 m天线工程.     

基于Moore-Penrose逆的索网天线预拉力设计方法

为保证星载索网天线反射型面具有一定的刚度和热稳定性,展开态的索网结构须具有一定的预应力。结合天线索网结构的组成特点,将索网结构的预拉力设计过程分为三个阶段：优化设计前索网面索段的预拉力;计算纵向拉索的索段预拉力;优化设计后索网面的索段预拉力。在前、后两次网面索段预拉力的优化设计中,网面索段预拉力的均匀化程度以网面中各索段拉力与网面索段的拉力均值之间的差值平方和大小来衡量;认为差值平方和越小,网面索段拉力越均匀。以索网结点在理想位置力平衡所需满足的方程为主要约束条件,建立索网预拉力优化设计的数学模型。结合线性相容方程组极小范数解的概念,通过模型等效转换讨论其有效求解方法。算例结果表明,以网面索段拉力与其均值的差方和最小为目标来优化设计索网预拉力的方法简便、有效。     

一种柔索并联机器人的刚度解析

大射电望远镜(LT)馈源柔索支撑系统是一种大跨度强非线性柔索并联机器人(WDPR),其刚度在相当程度上决定了它的有载定位精度。针对目前没有用解析法分析此类机器人刚度矩阵的现状,运用微分变换原理推导出它的完整刚度的解析表达式。基于馈源柔索支撑系统的非线性力学模型,得出动平台中心所受外力矢量的矩阵表达式,通过对外力变分来获取系统刚度矩阵与终端外力矢量、终端位移矢量的关系式,此刚度矩阵主要与柔索张力以及结构参数有关。以LT50m模型为例分析了该机器人的刚度。数值结果表明刚度矩阵的分析方法是有效的。研究结论对LT500m原型馈源支撑系统的结构设计、振动分析及运动控制均具有很好的借鉴作用。     

基于多翼型特征的非奇异变形感知方法研究

针对传统变形感知方法在复杂翼型结构中常见的病态、奇异等问题,提出了一种基于多翼型特征的非奇异变形重构模型。依据Timoshenko梁变形理论,采用依存插值技术离散单元位移场,建立理论截面应变与测量应变的最小二乘变分函数,推导单元节点变形与测量应变的积分重构模型。该模型的位置无关性有效消除评估截面选取不当引起的奇异,增强重构模型在复杂翼型结构中的适用性。同时,针对应变传感器服役期间常见的环境扰动,以重构精度与鲁棒性为评估指标,建立自适应多目标粒子群优化模型。实验结果表明,提出的重构模型整体测量精度较高,在机翼变形量小于20 mm范围内最大绝对误差为0.26 mm,最大相对均方根误差为0.42%;当变形量增大时,绝对误差随之增大,但相对均方根误差不超过3.5%。因此基于多翼型特征的非奇异变形重构模型能够满足机翼实时重构需求,有效扩展变形感知方法在复杂结构中的应用价值。     

嵌入式系统在机电控制中的应用

介绍了嵌入式系统及其特点,讨论了嵌入式微处理器、软硬件开发平台及嵌入式实时操作系统的选择。以Stewart平台伺服控制器为例介绍了嵌入式系统在机电控制系统中的应用及实现方法,通过对典型信号的跟踪结果表明系统设计是成功的。     

基于模糊网络的机翼天线变形测量方法

高空长航时无人预警机的发展日益受到重视,而对其机翼长基线天线变形的实时高精度测量对保证天线性能具有重要意义。结合模糊自构架理论,提出了一种适于机翼变形实时测量的模糊网络法。首先,根据测得的机翼上各个位移测量点的形变位移量和相关应变点的应变量,自主构架网络来逼近二者之间的关系;然后,以空间三角桁架为对象进行仿真分析,并在静载作用下对铝制翼板模型进行变形测量实验。研究表明:模糊网络法具有较高的测量精度和较快的训练速率,为机翼变形测量提供了一种新的思路。     

考虑柔索垂度影响的索牵引并联机器人跟踪控制

为考虑柔索垂度影响采用抛物线方程来描述大跨度柔索的构形,推导出索端张力与索端位移和索长变化之间的关系。基于柔索力学方程建立索牵引机器人的动力学模型,模型中作用在末端执行器上的柔索合力与柔索长度和末端执行器的位姿直接相关。为便于在控制设计中引入力学模型,对动力学方程进行线性展开,得到作用在末端执行器上的柔索合力增量与索长变化和末端执行器位移之间的关系。作用在末端执行器上的柔索合力可以表示为其期望值与相应的增量之和,该增量是由索长误差及末端执行器位姿误差引起的。控制设计时首先采用李雅普诺夫法针对柔索合力设计反馈控制器,然后利用前述的增量关系构造出基于末端执行器位姿反馈,以索长调整量为控制输出的非线性控制器。该控制器在本质上为一带补偿项的非线性PD控制,控制器参数可随系统状态的变化而自动调整。数值算例证明了控制算法的有效性。     

一种柔索并联机器人的动力学建模与主动控制

柔索并联机器人采用柔索代替连杆作为机器人的驱动元件，它结合了并联结构和柔索驱动的优点。500m口径大射电望远镜（FAST）粗调系统是通过六根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的六自由度运动，其工作特点类似并联机器人，因此也被看作柔索并联机器人。基于FAST5m缩比实验模型，首先进行了逆运动学分析；其次，采用拉格朗日方程建立了柔索并联机器人的逆动力学模型；最后，针对结构特点模拟作用在馈源舱上的随机风荷，设计了用模糊控制器自动调整免疫系统反馈规律的免疫PID控制器来控制馈源轨迹跟踪的风振响应。数值结果验证了该主动控制策略能够有效衰减风荷振动，从而提高了馈源轨迹跟踪精度。