空间微振动多维磁浮隔振系统设计方法及动态特性研究

The low-frequency and low-amplitude disturbances are the main reasons that influence the high resolution observation, gravity gradient measurement and the space microgravity experiments. Restricted by the mechanism, it has been verified that the passive vibration isolation method and the active contacting vibration isolation method are unable to achieve effective isolation of micro vibration. So the non-contacting vibration isolation technology, which is based on the magnetic levitation principle, becomes the first choice of the micro vibration isolation problem. Aiming at the insufficient research of design approach of magnetic levitation vibration isolation system, multiple source disturbance and high fidelity dynamic modeling, by establishing the design method of vibration isolation system and exploring the parameterized nonlinear dynamic model, multi-closed-loop control strategy and ground simulation method of micro vibration, the key scientific problems of the mechanical - electrical - magnetic -thermal coupled multidimensional magnetic levitation vibration isolation system and multi-source disturbance mechanical behavior and mechanism of the vibration isolation system will be break through. The amplitude after vibration in frequency range 0.1-100Hz will change to 10μg. The achievements of the project will promote the development of active micro vibration isolation technology in space, and will provide theoretical basis and technical support for its application in aerospace engineering.

航天器低频微幅振动是影响空间高分辨率对地成像、重力梯度测量以及空间微重力试验的首要因素。受作用机理限制，被动及接触式主动控制方法已被证实无法实现对此类微振动的有效隔离，基于磁悬浮原理的非接触隔振技术成为解决该问题的优选。本项目针对国内外对空间微振动磁浮隔离系统设计方法、多源扰动行为和高保真动力学建模等研究不足的现状，通过建立隔振系统设计方法体系,探索全参数非线性动力学建模、多闭环控制策略和微振动地面模拟方法，突破空间环境下磁悬浮多维隔振系统的机-电-磁-热耦合设计、磁悬浮微振动隔离系统的多源扰动力学行为及机理等关键科学问题，将主动控制后的0.1-100Hz空间微振动幅值降低至10μg水平。本项目取得的成果将推动我国空间微振动主动隔振技术的发展，为其在航天工程中的应用提供理论基础和技术支撑。

近年来航天技术飞速发展，人类对宇宙的探索不断深入，利用空间微重力环境进行的科学活动越来越多。但航天器会受到太空中复杂振动环境的影响，这些振动已经成为影响空间高精密科学实验结果的首要因素。目前我国对此方面的相关研究还处于起步阶段，有很多理论和技术问题亟待突破。.本项目从机械、感知及控制系统等方面提出了磁悬浮隔振系统总体方案设计流程。考虑系统客观约束，优化设计参数，设计了满足需求的作动器；提出磁悬浮隔振平台构型，进行了多个作动器空间布局设计，建立了用于控制的力、力矩与电流分配模型，获得了浮动平台与作动器之间的映射关系；基于加速度计和位置传感器的测量原理，研究了不同传感器的布局方式，建立了系统的六自由度绝对加速度和相对位姿测量模型，可对平台的运动信息进行准确描述。.为解决线缆对振动传递的效应，课题研究了柔性线缆的振动传递特性。基于弹性细杆的力学模型，建立了柔性线缆的非线性力学模型；采用微分求积算法求解线缆受到扰动作用下传递到端部的扰动力/力矩，获得了扰动力/力矩与扰动参数之间的关系，并拟合出线缆的等效动力学模型；结合设计的测试装置，验证了线缆力学模型的正确性。.针对系统控制器设计，项目组建立了面向控制的系统完整动力学模型。基于采集系统获得的浮动平台的运动信息，提出了双闭环控制策略；分别采用了线性PID控制算法和非线性滑模控制算法，开发了六自由度控制系统仿真程序；实现了系统对不同种类扰动的隔振控制功能以及对低频扰动的跟踪控制功能，为系统试验提供了理论支撑。.最后，研制了六自由度磁悬浮隔振系统原理样机。采用位置及加速度传感器，通过多通道数据采集卡实现信号采集与处理，利用运动控制卡和音圈电机驱动器实现作动器驱动；进行了各分系统测试试验，以及系统对直接扰动的抑制能力测试，试验结果验证了样机的功能以及相对应的理论分析结果。