本發(fā)明涉及一種帶有大型柔性環(huán)形天線(xiàn)的衛(wèi)星在軌振動(dòng)抑制計(jì)算分析,屬于微波遙感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的迫切需要,我國(guó)正在研制各類(lèi)帶有大型天線(xiàn)的新型電子偵察衛(wèi)星、通信衛(wèi)星和對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)等一系列新型航天器。這些航天器的大型柔性可展開(kāi)天線(xiàn),呈現(xiàn)典型的大柔性、輕質(zhì)量、弱阻尼、非線(xiàn)性等復(fù)雜動(dòng)力學(xué)特性,給這類(lèi)航天器帶來(lái)一系列動(dòng)力學(xué)與控制難題。未來(lái)將有越來(lái)越多的大型可展開(kāi)天線(xiàn)在航天器上應(yīng)用,口徑也會(huì)越來(lái)越大,指標(biāo)更加嚴(yán)格,衛(wèi)星姿軌控、熱致振動(dòng)等導(dǎo)致的機(jī)械運(yùn)動(dòng)必然會(huì)引起大型反射面天線(xiàn)的振動(dòng),從而造成電性能降低,影響任務(wù)完成質(zhì)量。
整星呈現(xiàn)出典型的大撓性體特征,是由包含大口徑網(wǎng)狀天線(xiàn)、多關(guān)節(jié)大型伸展臂、太陽(yáng)翼與衛(wèi)星本體組成的大慣量低頻剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)。sar載荷成像時(shí)間長(zhǎng),衛(wèi)星各個(gè)環(huán)節(jié)的振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量具有不同程度的影響,其中天線(xiàn)臂作為sar天線(xiàn)支撐和精度保證的關(guān)鍵環(huán)節(jié),具有大撓度、低基頻的特性,因此天線(xiàn)臂振動(dòng)對(duì)成像的影響至關(guān)重要。
針對(duì)壓電纖維復(fù)合材料建模問(wèn)題,目前還缺乏一個(gè)頂層的包含衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)、姿態(tài)控制與振動(dòng)抑制的耦合系統(tǒng)模型。目前分析還局限于某一方面的獨(dú)立分析,如結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析,簡(jiǎn)單邊界條件下的天線(xiàn)振動(dòng)分析,多項(xiàng)分析之間缺乏界面劃分理論依據(jù),只能給出局部的分析結(jié)論。例如利用有限元分析軟件abqus,但其多適用固定邊界條件,難以應(yīng)用在浮動(dòng)的衛(wèi)星模型上,且所獲得的模型是仿真模型,只能進(jìn)行響應(yīng)計(jì)算,無(wú)法完成基于解析模型的振動(dòng)機(jī)理分析。因此,目前的分析缺乏頂層的完整的系統(tǒng)分析方法,給出符合衛(wèi)星實(shí)際在軌情況的分析結(jié)論。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題為:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供了便于工程應(yīng)用的一種基于壓電材料的天線(xiàn)臂主動(dòng)振動(dòng)抑制分析方法。本發(fā)明將壓電材料的應(yīng)力等價(jià)為內(nèi)力矩,將壓電材料的應(yīng)變等價(jià)為位移差分,獲得衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)抑制、與姿態(tài)控制的解析式耦合計(jì)算模型。通過(guò)解算此模型,獲取振動(dòng)抑制后的天線(xiàn)振動(dòng)頻率響應(yīng)和時(shí)間響應(yīng),實(shí)現(xiàn)了壓電材料在天線(xiàn)臂上的布局分析,以及天線(xiàn)臂主動(dòng)振動(dòng)抑制效果分析。
本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種獲取天線(xiàn)臂振動(dòng)抑制響應(yīng)的計(jì)算方法,步驟如下:
(1)建立整星剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,即將大型網(wǎng)狀天線(xiàn)作為整體柔性體,衛(wèi)星本體作為剛性體,太陽(yáng)翼與本體固定連接,采用柔性動(dòng)力學(xué)建模理論,建立整星剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程:
式中,方程(1)為系統(tǒng)質(zhì)心平動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程;方程(2)式為系統(tǒng)繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程;方程(3)為+y軸太陽(yáng)翼的振動(dòng)方程;方程(4)為-y軸太陽(yáng)翼的振動(dòng)方程;方程(5)為天線(xiàn)的振動(dòng)方程。
x--衛(wèi)星中心體的線(xiàn)位移,∈3×1;
ωs--衛(wèi)星中心體的角速度列陣,∈3×1;
m--衛(wèi)星質(zhì)量陣,∈3×3;
is--衛(wèi)星慣量陣,∈3×3;
ps--作用在衛(wèi)星上的外力列陣,∈3×1;
ts--作用在衛(wèi)星上的外力矩列陣,∈3×1;
ηal、ηar--分別為+y軸和-y軸太陽(yáng)翼的模態(tài)坐標(biāo)陣,∈m×1;
ζal、ζar--分別為+y軸和-y軸太陽(yáng)翼的模態(tài)阻尼系數(shù),一般取0.005~0.02;
ωal、ωar--分別為+y軸和-y軸太陽(yáng)翼的模態(tài)頻率對(duì)角陣;
ηt--為天線(xiàn)的模態(tài)坐標(biāo)陣;
ζt--為天線(xiàn)的模態(tài)阻尼系數(shù),一般取0.005~0.02;
ωt--為天線(xiàn)的模態(tài)頻率對(duì)角陣;
ftal、ftar--分別為+y軸和-y軸太陽(yáng)翼對(duì)本體平動(dòng)的柔性耦合系數(shù)陣;
fsal、fsar--分別為+y軸和-y軸太陽(yáng)翼對(duì)本體轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性耦合系數(shù)陣;
ftt--為天線(xiàn)振動(dòng)對(duì)本體平動(dòng)的柔性耦合系數(shù)陣;
fst--為天線(xiàn)振動(dòng)對(duì)本體轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性耦合系數(shù)陣。
(2)建立天線(xiàn)臂主動(dòng)振動(dòng)抑制模型,即沿天線(xiàn)臂應(yīng)變最大處的臂桿一周粘貼壓電纖維復(fù)合材料的應(yīng)變片,以此作為振動(dòng)抑制的驅(qū)動(dòng)器,將其作用在天線(xiàn)臂上的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)等效為天線(xiàn)臂應(yīng)變最大處的臂桿外側(cè)多個(gè)作用點(diǎn)的彎矩,添加主動(dòng)振動(dòng)控制輸入后的天線(xiàn)振動(dòng)方程(28)為:
其中,ttx,tty是作用在天線(xiàn)臂上各個(gè)節(jié)點(diǎn)在x軸和y軸方向的振動(dòng)控制彎矩;φtx,φty是振動(dòng)控制彎矩作用在天線(xiàn)臂上的節(jié)點(diǎn)在x軸和y軸方向的振型。
通過(guò)在天線(xiàn)臂應(yīng)變最大處粘貼壓電纖維復(fù)合材料的應(yīng)變片,測(cè)量天線(xiàn)臂應(yīng)變,以此作為振動(dòng)抑制的傳感器。傳感器測(cè)量的信號(hào),為天線(xiàn)臂上粘貼應(yīng)變片覆蓋部分的兩個(gè)距離最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn),在天線(xiàn)臂變形后的距離與天線(xiàn)臂變形前原有距離的差值,作為控制律的反饋信息,該兩個(gè)距離最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)定義為反饋節(jié)點(diǎn)1和反饋節(jié)點(diǎn)2,位置信息如下
其中,δ1和δ2分別是節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的位移振動(dòng)響應(yīng),φn1,φn2是節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的振型。則節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的距離d為
d=||r0+δ1-δ2||-||r0||(31)
其中,r0是節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的幾何距離,即天線(xiàn)臂變形前節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的原有距離,||||是取模運(yùn)算。
設(shè)定振動(dòng)抑制的控制律為速度負(fù)反饋,如下
其中,ttx和tty分別為點(diǎn)頭模態(tài)和搖頭模態(tài)的控制彎矩,ktx和kty分別是點(diǎn)頭模態(tài)和搖頭模態(tài)的天線(xiàn)控制增益。
對(duì)反饋信息
其中,ω1和ω2分別是點(diǎn)頭模態(tài)和搖頭模態(tài)的振動(dòng)頻率,ξ1、ξ2是點(diǎn)頭模態(tài)濾波因子的阻尼比,ξ3、ξ4是搖頭模態(tài)濾波因子的阻尼比。
(3)建立整星姿態(tài)控制模型,即先設(shè)定比例-微分控制律ts,如下
ts=gf(s)gt(s)gs(s)(kpθs+kdωs)(34)
其中,kp為比例增益,kd為微分增益,θs為衛(wèi)星姿態(tài)角,ts為控制力矩;
衛(wèi)星姿態(tài)角θs由陀螺測(cè)量得到,控制力矩ts由動(dòng)量輪驅(qū)動(dòng)得到,陀螺濾波因子gs(s)和動(dòng)量輪濾波因子gt(s)如下
其中,ωs為陀螺帶寬,ξs為阻尼比,tt為動(dòng)量輪機(jī)電時(shí)間常數(shù)。
天線(xiàn)主要振動(dòng)模態(tài)的濾波因子如下
其中,ωi為待濾波模態(tài)的頻率,即主要振動(dòng)模態(tài)的頻率;
(4)建立振動(dòng)抑制與姿態(tài)控制耦合模型,由上述整星剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型即式(1)~(5)、天線(xiàn)臂主動(dòng)振動(dòng)抑制模型即式(7)~(11)、和整星姿態(tài)控制模型即式(12)~(15),組成如下雙閉環(huán)的振動(dòng)抑制與姿態(tài)控制耦合模型:
ts=gf(s)gt(s)gs(s)(kpθs+kdωs)(43)
(5)利用步驟(4)給出的式(15)~(21),分別進(jìn)行頻域計(jì)算和時(shí)間域計(jì)算,獲得衛(wèi)星在受到外力激勵(lì)作用后的天線(xiàn)振動(dòng)抑制響應(yīng),包括:天線(xiàn)振動(dòng)頻率響應(yīng)和時(shí)間響應(yīng)。
ξ1取0.005~0.01,ξ2取2ξ1,ωf為主要振動(dòng)模態(tài)的濾波帶寬,ξf為0.7~1。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
(1)本發(fā)明獲得的計(jì)算模型為頂層的包含衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)、姿態(tài)控制與振動(dòng)抑制的耦合系統(tǒng)模型,充分考慮了各分析環(huán)節(jié)的交叉耦合,分析結(jié)論完整、系統(tǒng)。
(2)本發(fā)明獲得的計(jì)算模型為衛(wèi)星浮動(dòng)狀態(tài)模型,擺脫商業(yè)軟件只能進(jìn)行固定邊界條件的約束,模型與衛(wèi)星真實(shí)在軌狀態(tài)相符。
(3)本發(fā)明獲得的計(jì)算模型為解析式方程,與商業(yè)軟件只能進(jìn)行響應(yīng)分析相比,本模型即可以完成響應(yīng)計(jì)算,又可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)傳遞機(jī)理分析。
(4)本發(fā)明將壓電材料應(yīng)力等價(jià)為內(nèi)力矩,將應(yīng)變等價(jià)為位移差分,建模方法簡(jiǎn)單實(shí)用,建模周期短,便于工程應(yīng)用。
附圖說(shuō)明
圖1本發(fā)明方法的流程框圖;
圖2坐標(biāo)系示意圖;
圖3天線(xiàn)點(diǎn)頭模態(tài)圖;
圖4天線(xiàn)搖頭模態(tài)圖;
圖5的a)壓電材料布置在天線(xiàn)臂根部,振動(dòng)抑制前后整星傳遞特性對(duì)比圖;b)為壓電材料布置在天線(xiàn)臂端部,振動(dòng)抑制前后整星傳遞特性對(duì)比圖;
圖6的a)振動(dòng)抑制前天線(xiàn)遠(yuǎn)端點(diǎn)振動(dòng)位移;b)為振動(dòng)抑制后天線(xiàn)遠(yuǎn)端點(diǎn)振動(dòng)位移圖。
具體實(shí)施方式
如圖2所示,衛(wèi)星由星本體、雙太陽(yáng)翼,天線(xiàn)臂和環(huán)形天線(xiàn)組成。坐標(biāo)系為機(jī)械安裝坐標(biāo)系,原點(diǎn)o位于星本體上端面幾何中心,x軸指向衛(wèi)星飛行方向,z軸指向地心,y軸由右手定則確定。星本體配置有動(dòng)量輪和陀螺,作為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器和傳感器。沿+y軸方向展開(kāi)的太陽(yáng)翼稱(chēng)為+y軸太陽(yáng)翼,沿-y軸方向展開(kāi)的太陽(yáng)翼稱(chēng)為-y軸太陽(yáng)翼。天線(xiàn)臂一端連接在星本體上端面,另一端連接在環(huán)形天線(xiàn)。環(huán)形天線(xiàn)和天線(xiàn)臂合稱(chēng)為天線(xiàn)。在天線(xiàn)臂臂面粘貼壓電纖維復(fù)合材料的應(yīng)變片,作為天線(xiàn)主動(dòng)振動(dòng)抑制的作動(dòng)器和傳感器。如圖3所示,天線(xiàn)點(diǎn)頭模態(tài)沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4所示,天線(xiàn)搖頭模態(tài)沿z軸扭轉(zhuǎn)。天線(xiàn)主要振動(dòng)模態(tài)由占天線(xiàn)振動(dòng)能量95%以上的若干階振動(dòng)模態(tài)組成。
如圖1所示,為本發(fā)明方法的流程框圖,主要包括如下步驟:
(1)建立整星剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。
為便于振動(dòng)抑制建模,將大型網(wǎng)狀天線(xiàn)作為整體柔性體考慮,衛(wèi)星本體作為剛性體考慮,太陽(yáng)翼與本體固定連接。采用柔性動(dòng)力學(xué)建模理論,建立整星剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程
其中,方程(45)為系統(tǒng)質(zhì)心平動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程;方程(46)式為系統(tǒng)繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程;方程(47)為+y軸太陽(yáng)翼的振動(dòng)方程;方程(48)為-y軸太陽(yáng)翼的振動(dòng)方程;方程(49)為天線(xiàn)的振動(dòng)方程。
式中:
x--衛(wèi)星中心體的線(xiàn)位移,∈3×1;
ωs--衛(wèi)星中心體的角速度列陣,∈3×1;
m--衛(wèi)星質(zhì)量陣,∈3×3;
is--衛(wèi)星慣量陣,∈3×3;
ps--作用在衛(wèi)星上的外力列陣,∈3×1;
ts--作用在衛(wèi)星上的外力矩列陣,∈3×1;
ηal、ηar--分別為+y軸和-y軸太陽(yáng)翼的模態(tài)坐標(biāo)陣,∈m×1;
ζal、ζar--分別為+y軸和-y軸太陽(yáng)翼的模態(tài)阻尼系數(shù),一般取0.005~0.02;
ωal、ωar--分別為+y軸和-y軸太陽(yáng)翼的模態(tài)頻率對(duì)角陣;
ηt--為環(huán)形天線(xiàn)的模態(tài)坐標(biāo)陣;
ζt--為環(huán)形天線(xiàn)的模態(tài)阻尼系數(shù),一般取0.005~0.02;
ωt--為環(huán)形天線(xiàn)的模態(tài)頻率對(duì)角陣;
ftal、ftar--分別為+y軸和-y軸太陽(yáng)翼對(duì)本體平動(dòng)的柔性耦合系數(shù)陣;
fsal、fsar--分別為+y軸和-y軸太陽(yáng)翼對(duì)本體轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性耦合系數(shù)陣;
ftt--為環(huán)形天線(xiàn)振動(dòng)對(duì)本體平動(dòng)的柔性耦合系數(shù)陣;
fst--為環(huán)形天線(xiàn)振動(dòng)對(duì)本體轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性耦合系數(shù)陣。
(2)建立天線(xiàn)臂主動(dòng)振動(dòng)抑制模型。
沿天線(xiàn)臂應(yīng)變最大處的臂桿一周粘貼壓電纖維復(fù)合材料的應(yīng)變片,以此作為振動(dòng)抑制的驅(qū)動(dòng)器。將其作用在天線(xiàn)臂上的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)等效為天線(xiàn)臂應(yīng)變最大處的臂桿外側(cè)多個(gè)作用點(diǎn)的彎矩,添加主動(dòng)振動(dòng)控制輸入后的天線(xiàn)振動(dòng)方程(49)為
其中,ttx,tty是作用在天線(xiàn)臂上各個(gè)節(jié)點(diǎn)在x軸和y軸方向的振動(dòng)控制彎矩;φtx,φty是振動(dòng)控制彎矩作用在天線(xiàn)臂上的節(jié)點(diǎn)在x軸和y軸方向的振型。
通過(guò)在天線(xiàn)臂應(yīng)變最大處粘貼壓電纖維復(fù)合材料的應(yīng)變片,測(cè)量天線(xiàn)臂應(yīng)變,以此作為振動(dòng)抑制的傳感器。傳感器測(cè)量的信號(hào),為天線(xiàn)臂上粘貼應(yīng)變片覆蓋部分的兩個(gè)距離最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn),在天線(xiàn)臂變形后的距離與天線(xiàn)臂變形前原有距離的差值,作為控制律的反饋信息,該兩個(gè)距離最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)定義為反饋節(jié)點(diǎn)1和反饋節(jié)點(diǎn)2,位置信息如下
其中,δ1和δ2分別是節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的位移振動(dòng)響應(yīng),φn1,φn2是節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的振型。那么,節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的距離d為
d=||r0+δ1-δ2||-||r0||(52)
其中,r0是節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的幾何距離,即天線(xiàn)臂變形前節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的原有距離,||||是取模運(yùn)算。
設(shè)定振動(dòng)抑制的控制律為速度負(fù)反饋,如下
其中,ttx和tty分別為圖3中的點(diǎn)頭模態(tài)和圖4中的搖頭模態(tài)的控制彎矩,ktx和kty分別是圖3中的點(diǎn)頭模態(tài)和圖4中的搖頭模態(tài)的天線(xiàn)控制增益。
對(duì)反饋信息
其中,ω1和ω2分別是點(diǎn)頭模態(tài)和搖頭模態(tài)的振動(dòng)頻率,ξ1、ξ2是點(diǎn)頭模態(tài)濾波因子的阻尼比,ξ3、ξ4是搖頭模態(tài)濾波因子的阻尼比。
(3)建立姿態(tài)控制模型。
設(shè)定比例-微分控制律,如下
ts=gf(s)gt(s)gs(s)(kpθs+kdωs)(55)
其中,kp為比例增益,kd為微分增益,θs為衛(wèi)星姿態(tài)角,ts為控制力矩。
衛(wèi)星姿態(tài)角θs由陀螺測(cè)量得到,控制力矩ts由動(dòng)量輪驅(qū)動(dòng)得到,陀螺gs(s)和動(dòng)量輪gt(s)濾波因子如下
其中,ωs為陀螺帶寬,ξs為阻尼比,tt為動(dòng)量輪機(jī)電時(shí)間常數(shù)。
天線(xiàn)主要振動(dòng)模態(tài)的濾波因子如下
其中,ωi為待濾波模態(tài)的頻率,即主要振動(dòng)模態(tài)的頻率,ξ1取0.005~0.01,ξ2取2ξ1,ωf為主要振動(dòng)模態(tài)的濾波帶寬,ξf為0.7~1。
(4)建立振動(dòng)抑制與姿態(tài)控制耦合模型。
由上述整星動(dòng)力學(xué)模型(45)~(49)、振動(dòng)抑制模型(50)~(54)、和姿態(tài)控制模型(55)~(58),組成如下雙閉環(huán)的振動(dòng)抑制與姿態(tài)控制耦合模型。
ts=gf(s)gt(s)gs(s)(kpθs+kdωs)(64)
(5)振動(dòng)抑制后天線(xiàn)振動(dòng)頻率響應(yīng)和時(shí)間響應(yīng)計(jì)算。
以某帶大型柔性天線(xiàn)的衛(wèi)星為例,按照本發(fā)明方法,利用步驟(4)給出的計(jì)算公式,分別進(jìn)行頻域計(jì)算和時(shí)間域計(jì)算,獲得衛(wèi)星在脈沖力作用后,天線(xiàn)振動(dòng)抑制響應(yīng)。圖5a)為壓電材料布置在天線(xiàn)臂的根部,通過(guò)計(jì)算天線(xiàn)的振動(dòng)傳遞,得到天線(xiàn)點(diǎn)頭模態(tài)的頻率響應(yīng),橫坐標(biāo)為頻率,縱坐標(biāo)為振動(dòng)傳遞幅值,可以看出,振動(dòng)抑制前后的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)幾乎重合,對(duì)點(diǎn)頭模態(tài)的振動(dòng)幾乎沒(méi)有抑制衰減作用。重新將壓電材料布置在天線(xiàn)最大應(yīng)變處,即天線(xiàn)臂端部,圖5b)為壓電材料布置在天線(xiàn)臂的端部,通過(guò)計(jì)算天線(xiàn)的振動(dòng)傳遞,得到天線(xiàn)點(diǎn)頭模態(tài)的頻率響應(yīng),橫坐標(biāo)為頻率,縱坐標(biāo)為振動(dòng)傳遞幅值,可以看出,點(diǎn)頭模態(tài)阻尼比由0.0058提高到0.0175,振動(dòng)抑制效果改善明顯。將壓電材料布置在天線(xiàn)臂的端部,在本體施加激勵(lì),通過(guò)計(jì)算天線(xiàn)的振動(dòng)時(shí)間響應(yīng),獲得天線(xiàn)遠(yuǎn)端點(diǎn)的振動(dòng)位移響應(yīng),圖6a)為抑制前天線(xiàn)遠(yuǎn)端點(diǎn)振動(dòng)位移,圖6b)為抑制后天線(xiàn)遠(yuǎn)端點(diǎn)振動(dòng)位移,橫軸為時(shí)間,縱軸為振動(dòng)幅值,通過(guò)阻尼比計(jì)算,獲得振動(dòng)抑制前的自由振動(dòng)阻尼比為0.009,施加振動(dòng)抑制后的阻尼比為0.02,阻尼比提高百分比122%,與頻率響應(yīng)分析結(jié)果一致,振動(dòng)抑制效果改善明顯。