新型压电折叠梁隔振系统设计及航天结构微振动控制技术研究

In spacecrafts, the micro-vibration problems arise from various onboard accessories and precision equipments under the interferences of the driving devices. These problems will seriously influence the precision pointing performances of equipments. Therefore, it is highly demanded and of great importance to investigate the micro-vibration control technology. This project proposes the design of a new piezoelectric folded-beam isolation system in order to increase the isolation range at the low frequency range, and improve the overall isolation performance and stability of the isolation system. The main tasks involve: 1) to design a piezoelectric folded-beam isolator by using multi-layer piezoelectric structures and MFC materials, which includes the theoretical modeling of this electromechanical coupling system; 2) to simulate and optimize the micro-vibration active isolation technology based on the design of a fuzzy-proportional hybrid control algorithm, and analyze the efficient isolation mechanism of the active isolation system in the range of the low frequency/extremely low frequency. 3) to analyze the semi-active isolation mechanism of the new type vibration isolator with the negative-impedance shunt circuit, and optimize the system parameters by the simulation method. 4) to develop the corresponding devices, and test and analyze the performances of the new isolation system in consideration of various isolation modes. The proposed research on the new high performance piezoelectric folded-beam isolation technology opens up the development of the aerospace high-tech and the study of the micro-vibration control technology in the other ground structures.

航天器上各类星载附件和精密设备在各类驱动部件的干扰下，容易产生微振动问题，将严重影响设备在轨运行的精密指向等性能指标，因此开展新技术要求下的微振动控制技术研究具有重要意义。本项目提出一种新型压电折叠梁隔振系统设计方法，以增加微振动响应的低频段隔振范围，并提升整体隔振性能和系统稳定性。主要内容包括：1）采用多层压电结构方式和MFC压电纤维材料开展压电折叠梁隔振器的设计研究，并建立机电耦合系统的理论模型；2）设计一种模糊-比例杂交控制算法，开展微振动主动隔振技术仿真和优化设计，揭示主动隔振系统的低频/极低频微振动响应的高效隔振机理；3）采用负阻抗分支电路方法，进行新型隔振器的半主动隔振机理分析和仿真优化；4）研制相关硬件，开展新型隔振系统多种隔振方式的隔振性能试验研究。本项目设计的新型高性能压电折叠梁隔振系统对航天高新科技的发展和其它地面结构微振动控制技术的研究具有重要参考价值。

随着我国国防和经济的发展需求，航天器中各种精密仪器的运行环境要求也越来越苛刻，其中由于星载动量轮等动力设备对航天器中有效载荷带来的微振动响应问题，已成为影响精密设备正常工作的关键因素。为此本项目围绕微振动控制技术开展了如下六方面的研究：（1）设计了一种压电PZT折叠梁隔振器，开展了结合多层压电结构设计和加速度反馈控制算法等方法的低频隔振技术，通过仿真和试验验证了该隔振器在低频段的隔振范围扩展能力。（2）开展了基于压电分支电路技术的压电折叠梁隔振性能研究，包括机电耦合隔振系统的模型等效方法，以及谐振式分支电路和负阻抗式分支电路在该隔振器中的隔振性能影响规律研究。（3）基于MFC压电纤维作动器提出了一种新型柔性压电折叠梁设计方法，开展了隔振器的结构优化设计，以及隔振系统低频隔振频宽扩展和阻尼的实现机理，并比较了不同反馈方式下该主动隔振系统的隔振频段拓宽能力和时域控制效果。（4）基于菱形压电作动器设计了一种单自由度压电微振动驱动平台，完成了该驱动平台的高精度低频微位移驱动性能表征研究。（5）基于位移放大原理，设计了一种适应于微振动控制的沙漏型电磁隔振器，通过引入Bang-bang控制算法和最优控制算法，开展了沙漏型电磁隔振器的主、被动隔振性能研究。（6）基于所设计的新型双压电堆作动器，开展了大型柔性航天器低频微振动主动振动控制技术研究，着重讨论了PD控制，模糊控制和模糊-PD杂交控制算法在天线试验模型和实际大型卫星天线振动控制技术中的应用。本项目所提出的压电折叠梁隔振器，能有效增加其低频段隔振范围，如绝对加速度反馈和相对位移反馈能同时扩宽隔振系统前两阶模态频率的宽度。而所提出的新型电磁隔振器和基于模糊杂交控制算法的天线结构振动主动系统又能表现出显著的主动阻尼效果。总之，本项目所提出的微振动控制方法对我国航天技术的发展具有重要参考价值。