飞轮振动控制

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1、飞轮振动控制21304090 何泽夏摘要： 航天器上安装的精密有效载荷需要一个十分“安静”的工作环境，而作为一个主要的激振源，姿态控制飞轮产生的 振动会严重影响有效载荷的工作质量。目前飞轮振动控制采用的方法有阻尼减振、结构刚化、隔振等等。这里将介绍一种有 着较好发展前景的飞轮隔振方案拟主动隔振。1. 被动隔振与主动隔振 飞轮的振动是由转子的静不平衡、动不平衡、轴承滚珠及保持架的非理想特性，以及飞轮外壳与安装 结构的共振等一系列因素共同造成的。为了减小飞轮振动对航天器的影响，最有效的方法是为飞轮安 装隔振装置，将飞轮的振动与航天器隔离。可选的飞轮隔振方案有被动隔振、主动隔振以及主被动一 体化隔振

2、。a. 被动隔振装置结构简单，可靠性高，无需外界能源，但被动隔振装置存在着难以兼顾低频与高频性 能的固有缺点。隔振装置的阻尼较小时，系统有较高的共振峰值；而通过增加阻尼抑制共振峰时，又 会使高频段隔振效果变差。b. 主动隔振装置通过传感器测量隔振对象的运动，引入位置、速度、加速度反馈，按照一定的控制规 律对隔振对象施加控制力，可以达到被动隔振无法达到的隔振性能。具有较好的中低频隔振性能，主 要用于大型有效载荷的低频振动隔离与精确指向。但如果用来对质量较轻、数量较多的飞轮进行隔振， 除高频性能不理想外，主动隔振装置还存在造价昂贵、体积重量大、系统复杂、需要外加能源和可靠 性较低等缺点。2. 拟主

3、动隔振 该方法的特点是在被动隔振装置的基础上，使用被动元件实现类似主动隔振的控制规律，在保证隔振 装置高频段隔振性能的同时，有效地抑制共振峰。图 1 拟主动隔振装置图 2 拟主动隔振框图0 J57控制规律可理解为分两步进行：第一步，质量m的位移e导致质量m的位移响应x ；第二步，质量o o 1m/将自身的惯性力反作用于质量m0作为控制力u。可知，当mi趋于无穷大时，控制规律退化为比例微分控 制，质量mi相当于提供了一个惯性悬挂点。当ci, ki趋于无穷大时，控制规律退化为二阶微分控制，相当 于将m固连在m上。上述控制规律对应的闭环传递函数为：H s =0s+ko）（ms2+勺s+心）10m o

4、 s2+c s+k m 】s2+c】s+g +m 】s2（c】 s+g）拟主动控制器的引入，使系统增加了一个运动自由度，将原系统的一对共轭极点“分裂”为两对，成为四 阶系统，同时为闭环系统引入了一对共轭的“输入解耦零点”。拟主动控制器的主要作用就体现在这对共 轭零点上。它们在一定程度上抵消了共振频率附近激振载荷的输入，使共振峰附近的传递率曲线发生凹陷。2; 11.51X 1-0.5-占IK 1-5-75-2-1 0图 3 拟主动隔振装置零极点分布图 4 拟主动隔振传递率曲线通过优化参数cki，可以调整引入的共轭零点位置，在附加质量相同的条件下达到最佳的共振峰抑制效果。系统的传递率可写作：H)

5、= 3,这是以阻尼比Z，频率比f为参数，无量纲激励频率1，fC2+D21g为自变量的函数。选取z ，f作为优化变量，以传递率的最大值作为目标函数。下面，对拟主动控制器 的参数进行优化。令取无量纲参数:卩= 堆，1 = 雪,M =叫,f=%,g=辿其中卩,f分别为附加弹簧m 12 m i %m 质量系统的固有频率与阻尼比，M , f分别为附加弹簧质量系统与原被动隔振系统的质量比与频率比，g 为激励频率与原被动隔振系统的固有频率之比。取原隔振系统阻尼比 = 0丄质量比分别P =0.1,0.2,0.4, 使用最优参数绘制闭环传递率曲线。附加弹簧质量系统构成的拟主动控制器有效地降低了原被动隔振系统 的

6、共振峰值，同时也没有增加高频段的传递率，是一种比例、微分、二阶微分控制规律综合作用的效果。 而且附加质量越大，对峰值的衰减效果越明显。为了进一步改善对共振峰值的衰减效果，可以使用多个拟 主动控制器并联的方法，在总质量一定的条件下，增加并联的拟主动控制器数量，可以使共振峰附近的传 递率曲线更加平缓。结论针对航天飞行器中飞轮隔振的问题，文中提出了使用被动元件实现反馈的拟主动控制方法，在保证原 被动隔振系统高频段传递率不变的前提下，有效地降低了共振峰值。拟主动隔振方法虽然缺少主动控制系 统的灵活性，但对于飞轮隔振的实际工程应用而言，仅需在被动隔振装置的基础上增加少量元件即可在一 定程度上提高其隔振性能，避免了主动隔振所面临的诸如控制系统上限频率低、能源、可靠性、高频性能 等一系列问题。在实际的飞轮隔振装置设计中，由于飞轮具有六个刚体运动模态，可以使用本文所述的方法，在多个 方向上安装拟主动控制装置，以衰减不同的共振峰。这种方法兼备了被动隔振与主动隔振的优点，是一种 有着较好发展前景的飞轮隔振方案。参考文献：1 关 新，王全武，郑钢铁. 飞轮拟主动隔振方法. 宇航学报.20102 虞自飞,王涛,沈海军,杜冬，周徐斌. 动力吸振器在飞轮振动控制中的应用. 噪声与振 动控制.2013