空间微振动多维磁浮隔振系统设计方法及动态特性研究

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。 2100433B

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。

本项目针对超低频复杂振动环境，提出一种在同一构件上采用不同极化方式的分布压电阵进行传感与驱动，实施多维精密隔振、运动仰振和精密定位合一的新构思实现精密隔振平台微型化的新结构。研究建立该微结构多维压电振动的传感与控制模型、振动和定位控制策略及其关系的基本理论。从而提高我国精密测量设备的测量精度和自动化程度。 2100433B

微悬臂梁传感器是探索微观世界的重要工具，被广泛应用于微观领域形貌探测和参数测量。由于频率参数容易测量，通过微悬臂梁传感器谐振频率变化，间接探测被测对象的方法成为研究热点。近期研究发现，微悬臂梁传感器在流体中振动时会产生流固耦合振动现象，具体表现为：其谐振频率受流体影响强烈，且影响程度无法用经典振动理论解释，并表现出 尺度效应和频率效应。考虑到微悬臂梁传感器主要工作于流体环境，这一现象给以微悬臂梁传感器为工具的定量研究带来了较大困难。本项目拟研制微悬臂梁传感器流固耦合振动特性试验平台，分析微悬臂梁传感器和流体之间的相互作用机理，建立其谐振频率与流体边界条件、粘度、密度和温度等参数之间的关系模型，发展微纳米结构流固耦合振动理论。本项目的研究对于揭示流体对微纳米结构动力学特性影响及其表现出的尺度效应和频率效应的物理机制、高灵敏微悬臂梁传感器设计和应用将具有重要意义。