一种多学科微振动评估优化设计方法及系统技术方案

一种多学科微振动评估优化设计方法及系统，首先分别开展微振动结构传递特性建模、微振动源建模、光学系统建模和控制系统建模，然后建立集成模型，即可利用三种方法进行微振动性能评估，如评估结果无法满足性能要求，可进行集成模型参数化，再针对参数化模型进行系统级多学科优化设计，以保证总体设计可满足系统要求。相比传统方法，本方法在考虑姿态影响的情况下全面考虑卫星结构和相机结构对微振动传递影响，使用改进微振动源数学模型全面反映微振动源的动态特性，引入光学性能分析，直接评估微振动对光学性能的影响，可同时使用三种分析方法进行评估，三种结果之间可互为补充和对比，提高了评估结果的可信性和有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种多学科微振动评估优化设计方法及系统
本专利技术涉及与航天器高精度光学设备相关的各种微振动对其造成影响的多学科评估方法，属于系统级多学科综合建模与分析领域。
技术介绍
微振动是指航天器在轨运行期间，由于搭载设备(如动量轮等高速转动部件、太阳翼驱动机构等步进部件、红外相机摆镜等摆动部件)正常工作造成的航天器幅度较小的往复运动。微振动源指引起微振动的设备。微振动能量很小，相比发射段力学环境造成的应变，微振动至少小1个量级，不会造成结构破坏。除了幅值较小，微振动的频率范围很广，姿态控制系统难以测量，也无法全频段控制。微振动主要影响光学相机等对微振动敏感的设备，是高分辨率遥感卫星必须解决的问题。微振动的主要特点：①微小性：微振动的能量很小，与发射段相比，微振动导致的应变至少小1个量级，通常不会造成结构破坏。这也是很多航天器设计忽略其影响的原因。②固有性：微振动是由微振动源正常工作引起的，不是故障或其他原因造成，是微振动源的固有特性。除非不使用该种微振动源，否则微振动的影响就始终存在。③难控性：微振动幅值较小，频率较高，姿态控制系统难以测量，也无法全频段控制；此外，微振动覆盖频段很广，基本上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多学科微振动评估优化设计方法，其特征在于步骤如下：(1)确定星上的微振动源、敏感载荷以及敏感载荷能够承受的微振动的指标；(2)进行结构传递特性建模；(3)进行控制系统建模；(4)进行微振动源建模；(5)进行光学系统建模；(6)进行模型集成，将所述结构传递模型、控制系统模型、微振动源模型和光学系统模型集成为统一的从微振动源输入到敏感载荷输出的数学模型；(7)基于集成模型进行时域的微振动性能评估，得到性能的时域评估结果；(8)基于集成模型进行频域的微振动性能评估，得到性能的频域评估结果；(9)基于集成模型进行解析域的微振动性能评估，得到性能的解析域评估结果；(10)分别判断上述三个评估结果是否...

【技术特征摘要】
1.一种多学科微振动评估优化设计方法，其特征在于步骤如下：(1)确定星上的微振动源、敏感载荷以及敏感载荷能够承受的微振动的指标；(2)进行结构传递特性建模；(3)进行控制系统建模；(4)进行微振动源建模；(5)进行光学系统建模；(6)进行模型集成，将所述结构传递模型、控制系统模型、微振动源模型和光学系统模型集成为统一的从微振动源输入到敏感载荷输出的数学模型；(7)基于集成模型进行时域的微振动性能评估，得到性能的时域评估结果；(8)基于集成模型进行频域的微振动性能评估，得到性能的频域评估结果；(9)基于集成模型进行解析域的微振动性能评估，得到性能的解析域评估结果；(10)分别判断上述三个评估结果是否在敏感载荷能够承受的微振动的指标之内，如果均满足要求，则进入步骤(13)；如果未满足要求，则进入步骤(11)；(11)对集成模型进行参数化，选择可调整的参数对模型进行参数化，得到参数化的广义状态空间模型；(12)对参数化广义状态空间模型进行优化，得到优化后的模型参数；将优化后的模型参数输入到集成模型中，得到优化后的集成模型，返回步骤(7)重新开展微振动性能评估；(13)输出微振动性能评估结果，即性能的时域评估结果、频域评估结果以及解析域评估结果。2.根据权利要求1所述的一种多学科微振动评估优化设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中结构传递特性建模形成结构传递特性模型，该模型中包括质量矩阵M、刚度矩阵K和阻尼矩阵；进行结构传递特性建模按照如下步骤进行：(2.1)通过有限元建模方法得到卫星结构传递模型中的质量矩阵M和刚度矩阵K；(2.2)通过坐标变换公式x＝Φξ将卫星结构传递模型解耦为模态空间方程其中，x表示物理坐标，ξ表示模态坐标，ωr,r＝1,…,n为卫星结构的模态频率，n是结构传递模型的自由度数，Φ是n×n维的振型矩阵，Φ满足以下条件(2.3)通过公式计算卫星结构传递模型中的对角阵的阻尼矩阵的对角元素；其中，ζr是卫星结构第r阶模态的模态阻尼比，Frk＝Erk/Er，是第k个部件对第r阶模态的应变能因子，Erk是第k个部件在第r阶模态的应变能，Er为第r阶模态总应变能，zk为第k个部件的结构阻尼系数；(2.4)根据所述质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵和振型矩阵，由公式得到卫星结构传递模型：其中，I是单位阵，Ω和Z分别是由λr,r＝1,…,n和ζr,r＝1,…,n为对角元素的固有频率矩阵和阻尼矩阵，y是和姿态相关的结构响应输出，z是和敏感载荷相关的结构响应输出，βu和βw分别是控制和微振动输入的参与因子，Cyx和分别是和姿态相关的位移和速度的输出参与因子，Czx和分别是和敏感载荷相关的位移和速度的输出参与因子，u是结构传递模型中的控制输入，w是结构传递模型中的微振动输入；As、Bu、Bw、Cy、Dyu、Dyw、Cz、Dzu、Dzw为相对应矩阵的简化表示。3.根据权利要求1所述的一种多学科微振动评估优化设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中进行控制系统建模按照如下步骤进行：(3.1)通过公式计算得到卫星的姿态控制系统数学模型，其中，Tc为控制力矩，θ为姿态角，ωl＝10ωc，为带宽系数，取0.2～0.01，ωf为卫星在轨飞行状态的第一阶固有频率，Kp、Kd和Ki分别为姿态控制系统的比例系数、微分系数和积分系数，Ki＝0.01～0.1，Is为卫星在该姿态角方向的转动惯量；s为拉普拉斯变换的复频率变量，是阻尼比；(3.2)通过坐标变换公式θ＝Pω将(3.1)中的模型变换到卫星的机械坐标系中，其中ω为机械坐标系下的角度变量，P为坐标变换矩阵；(3.3)将机械坐标系下的模型整理成状态空间的形式：u＝Ccqc+Dcy其中，qc是状态变量，y是卫星结构传递模型输出的姿态信息，即姿态角，u是控制模型输出的控制力矩，Ac是系统矩阵，Bc是输入矩阵，Cc是输出矩阵，Dc是与输入相关的输出矩阵。4.根据权利要求1所述的一种多学科微振动评估优化设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中进行微振动源建模按照如下步骤进行：(4.1)通过公式得到第r个微振动源的第k个方向的第m阶扰动力或力矩，其中，当k＝1,2,3时，输出扰动力，当k＝4,5,6时输出扰动力矩，r＝1,2,…,N，表示微振动源标识；N为微振动源总数，k＝1,2,…,6，表示微振动源扰动力或扰动力矩标识，m＝1,2,…,Nm，表示谐波数，Nm为谐波总数，Ckm表示第m阶谐波对第k阶扰动的幅值系数，Ckm对所有同一种微振动源保持一致；fr为第r个微振动源基本频率；hkm为第k阶扰动的第m阶谐波对基本频率的比值，hkm对所有同一种微振动源保持一致；为第r个微振动源的第k阶扰动的第m阶谐波的相角，相角为随机变量，在[0,2π]间均匀分布；β(ω)为结构固有特性因子，该因子包含固有频率和阻尼信息，表示在微振动源结构固有频率处的共振特性；Q(t)为微振动源动态特性的宽带噪声特性；(4.2)求和，通过公式得到第r个微振动源的第k个方向扰动力或力矩；(4.3)将白噪声作为输入，得到微振动源数学模型的状态空间形式：w＝Cdqd+Ddd其中，qd是状态变量，d是白噪声输入，w是微振动源模型输出的扰动力或扰动力矩，Ad是系统矩阵，Bd是输入矩阵，Cd是输出矩阵，Dd是...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘腾，庞世伟，王光远，杨松，张强，郭倩蕊，赵晨光，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11