零重力環(huán)境模擬氣動懸掛系統(tǒng)的關鍵技術研究.pdf

1、為了模擬低頻空間結構在地面進行動力學測試時的零重力環(huán)境，研制出一種高精度的氣動懸掛系統(tǒng)，解決了系統(tǒng)設計中所涉及的氣動關鍵技術問題。 首先，設計了基于內部供壓節(jié)流孔支撐的氣懸浮無摩擦氣缸，提出了基于非支配排序遺傳算法的氣缸結構多目標優(yōu)化方法。 然后，采用兩級閥芯的活塞式結構，研制了一種高精度的氣動比例壓力閥，其穩(wěn)態(tài)壓力控制精度高達0.25KPa。建立了氣動懸掛系統(tǒng)的非線性數學模型，分析了各系統(tǒng)參數對系統(tǒng)靜/動態(tài)特性、控制性

2、能和垂直懸掛頻率的影響，并提出基于高精度壓力傳感器和比例閥的恒壓魯棒控制方法。 實驗結果表明，氣動懸掛系統(tǒng)的總摩擦力小于0.0098N，穩(wěn)態(tài)壓力波動小于25Pa，實現了無摩擦、高精度的設計要求，證明了系統(tǒng)方案的可行性和有效性。 論文的主要內容如下： 第一章，介紹了地面零重力環(huán)境模擬系統(tǒng)的結構形式、主要特點和使用范圍，總結了懸掛系統(tǒng)的國內外研究狀況，闡述了氣動懸掛系統(tǒng)開發(fā)中所涉及的氣動關鍵技術及其相關的研究進展，最

3、后概述了本課題的研究意義和研究內容。 第二章，基于氣體潤滑的基本原理設計了基于內部供壓節(jié)流孔支撐的氣懸浮式無摩擦氣缸；建立了活塞和缸壁間隙內的氣體壓力分布、氣體泄漏流量和活塞徑向承載能力的數學模型，仿真分析了氣缸壓力、缸筒與活塞間隙以及活塞結構參數變化對氣缸性能的影響；提出了一種基于非支配排序遺傳算法的氣缸結構多目標優(yōu)化設計方法，實現了氣缸結構參數的匹配優(yōu)化。最后，通過實驗驗證了所建模型的正確性和優(yōu)化方法的有效性。 第三

4、章，設計了一種高精度氣動比例壓力閥，采用兩級閥芯的活塞式結構，以比例電磁鐵為控制元件，電反饋閉環(huán)控制，該閥輸出壓力為0～0.5MPa，穩(wěn)態(tài)精度高達0.25KPa。建立了比例閥的非線性動態(tài)模型，分析了主要物理和幾何參數對系統(tǒng)動態(tài)特性和控制性能的影響；構建輸出因子調整的模糊自適應比例加積分控制器，并利用ATmega16單片機實現了壓力設定范圍內的快速高精度控制。最后，對比例壓力閥的性能進行了實驗測試。 第四章，建立了比例壓力閥控制的

5、氣動懸掛系統(tǒng)的完整數學模型，仿真分析了氣源壓力和溫度、儲氣罐容積、連接管路長度和直徑等關鍵物理參數對系統(tǒng)動態(tài)特性和控制性能的影響，推導了氣動懸掛系統(tǒng)垂直懸掛頻率的理論模型，分析了系統(tǒng)參數對于垂直懸掛頻率的影響。 第五章，提出了氣動懸掛系統(tǒng)的高精度壓力控制方法，采用高精度比例閥作為氣動控制元件，使用高精度壓力傳感器檢測氣缸壓力進行閉環(huán)反饋控制，并提出了兩種高性能的魯棒控制策略，實現了系統(tǒng)在模型參數變化和外部擾動時的高精度恒壓控制，

6、最終穩(wěn)態(tài)壓力波動小于26Pa。第一種控制方案將智能控制技術引入到控制器設計中，提出了基于比例壓力閥的智能復合控制算法，并采用實數編碼遺傳算法對控制器的參數進行整定優(yōu)化。第二種方案則采用比例流量閥控制，采用輸入輸出線性化方法導出了系統(tǒng)的二階標稱模型，設計了基于觀測器和等效控制的模糊滑模變結構控制器。最后，通過仿真實驗對兩種控制器的動、靜態(tài)特性和魯棒性進行了分析和驗證。 第六章，研制了基于雙無摩擦氣缸驅動的氣動懸掛系統(tǒng)試驗臺，詳細設