Stability of large damped flexible spacecraft with stored angular momentum

Vibrational stability of large flexible structurally damped spacecraft carrying internal angular momentum and undergoing large rigid body rotations is analysed modeling the systems as elastic continua. Initially, analytical solutions to the motion of rigid gyrostats under torque-free conditions are developed. The solutions to the gyrostats modeled as axisymmetric and triaxial spacecraft carrying three and two constant speed momentum wheels, respectively, with spin axes aligned with body principal axes are shown to be complicated. These represent extensions of solutions for simpler cases existing in the literature. Using these solutions and modal analysis, the vibrational equations are reduced to linear ordinary differential equations. Equations with periodically varying coefficients are analysed applying Floquet theory. Study of a few typical beam- and plate-like spacecraft configurations indicate that the introduction of a single reaction wheel into an axisymmetric satellite does not alter the stability criterion. However, introduction of constant speed rotors deteriorates vibrational stability. Effects of structural damping and vehicle inertia ratio are also studied.     

带挠性附件的航天器系统动力学特性研究

本文研究了带挠性附件的航天器系统动力学特性。带挠性附件的航天器系统建模为刚性主体带挠性附件（挠性附件的末端带有刚性质量），根据拟坐标下的Ｌａｇｒａｎｇｅ定理建立了主刚体姿态运动与挠性附件振动相互耦合的动力学状态方程。针对一类带挠性附件的航天器系统编制了有关计算软件，利用该软件以ＳＣＯＬＥ模型（ＳＣＯＬＥ是ＳｐａｃｅｃｒａｆｔＣｏｎｔｒｏｌＬａｂｏｒａｔｏ－ｒｙＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ的缩写，其系统构形可参见文献［２］［３］）为例进行动力学分析，我们得到了与ＮＡＳＡ有关报告几乎完全一样的结果。本项研究为一类带挠性附件的航天器控制系统设计提供了一种合适的动力学理论模型。     

带挠性附件卫星的模型化及截断

本文给出了具有中心刚体和P个挠性附件的空间飞行器姿态动力学方程式,并用约束和非约束两种模态展开,得到时域求解的状态方程式和频域中的增广姿态角对控制力矩的逆传递函数阵。推导中考虑了挠性附件对中心刚体的相对运动。本文还给出了两种模态恒等式,其中之一可用来做控制系统分析时截断高阶方程式的截断准则。     

万有引力场中带挠性太阳帆板航天器的姿态稳定性

本文讨论带双侧挠性太阳帆板航天器在万有引力场中的姿态运动，建立带挠性帆板航天器的欧拉方程和帆板强迫振动方程。利用Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法对动力学方程离散化，利用Ｋｅｌｖｉｎ－Ｔａｉｔ－Ｃｈｅｔａｙｅｖ定量判断航天器在轨道坐标系内相对平衡的稳定性。导出适用于任意阶模态的解析形式稳定性充分条件。     

航天器附件展开动力学仿真

用Newton-Euler法建立了中心刚体带挠性附件的航天器动力学方程, 进行挠性附件展开的动力学仿真,研究附件展开对主体姿态的影响。当航天器 附件展开机构失效时,利用航天器姿态抖动来帮助展开附件。本文用ADAMS软 件建立了航天器的虚拟物理模型,用ADAMS和Matlab/Simulink联合仿真了航 天器姿态抖动过程。仿真结果表明此方法是有效的。     

大角速度柔性航天器动力学模型修正

将拉格朗日方程及其准坐标形式用于中心刚体加柔性附件航天器的拉格朗日函数,推导了中心刚体加柔性附件航天器动力学模型。针对航天器大角速度,分析中心刚体角速度对角动量方程的影响,对传统动力学模型进行修正。航天器绕惯量主轴大角速度自旋仿真结果验证了修正后的动力学模型对于大角速度航天器的有效性。     

单翼大挠性航天器全局模态动力学建模及试验

针对小中心刚体-单侧大挠性结构构型的航天器，通过定义广义全局模态振型，提出一种全局模态动力学模型。采用统一形式描述整体刚体运动和整体挠性变形，基于哈密顿原理推导了全局模态动力学方程，结合瑞利瑞兹法推导了非约束模态频率和模态振型的计算方法。通过仿真和试验校验了全局模态动力学模型的准确性。与有限元模型对比，分析了非约束模态频率随着刚柔质量比和惯量比的变化情况，第一阶模态频率的最大误差为0.003 Hz，说明全局模态动力学模型能够比较准确地描述非约束模态频率；理论模型能够比较准确地描述动态响应，端部横向位移的最大误差为2.6%；基于气浮平台构建了试验系统，理论模型、有限元仿真和物理试验结果均比较接近，说明理论模型准确描述了非约束模态频率随刚柔耦合特性变化的规律。     

可变构型复合柔性结构航天器动力学建模研究

针对中心刚体加复合柔性结构类航天器采用混合坐标法和子结构模态综合法，建立了可变构型复合柔性结构航天器低阶动力学模型。获得的柔性动力学方程及其各类耦合系数矩阵，适用于全星级可变构型系统和部件级复合柔性附件系统的控制系统设计与仿真，该模型具有阶数低和工程实用的特点。     

大型挠性航天器的鲁棒模型预测姿态控制

针对大型挠性航天器的三轴姿态控制问题,考虑了控制输入约束,设计了鲁棒模型预测姿态控制器。首先,将模型预测控制应用到不考虑扰动的标称挠性航天器系统中,通过求解优化问题推导预测控制律,从而得到三轴姿态的标称轨迹。然后,为有效处理大型挠性附件振动对中心刚体姿态造成的扰动,针对带有扰动的挠性航天器实际姿态控制系统,设计由最优状态与实际系统状态的误差构成的辅助反馈控制器,使实际系统状态维持在以标称轨迹为中心的“管道”(Tube)不变集内,并驱使实际系统状态到达标称轨迹上,最终沿着标称轨迹到达平衡点。仿真结果表明,在鲁棒模型预测控制的作用下,实现了姿态角的快速精确跟踪,有效地处理了由大挠性附件振动对中心刚体姿态产生的扰动,增强了系统的鲁棒性。     

一类挠性多体航天器快速大角度机动的动力学与控制

研究一类挠性多体航天器快速大角度机动的动力学与控制问题。考虑构形为“刚性主体 绕性梁 刚性端质量”的航天器，并假定它在一平面内作大角度旋转运动，本文利用Hamilton原理，建立了系统的非线性无穷维动力学模型，在只可测量刚性主体旋转角及其速率的情况下，设计了一种线性反馈控制方案，并证明了相应的闭环系统的渐近稳定性。     

大型空间结构的自适应控制

本文将Bar-Kana等人的模型参考自适应控制法(MRAC)用于柔性结构的自适应控制中,原方法要求系统的输入维数等于输出维数。对于柔性的大型空间结构(LSS),观测量的数目往往大于输入量的数目。本文采用组合LSS各观测点的信号,形成综合输出矢量Y_P,以满足自适应控制系统中,用较少的控制输入达到控制LSS结构中较多观测点的要求。为了克服跟踪误差,本文建议用最优返馈增益阵作为输出阵C_P,并采用LQR理论以求C_P。 本文将大型空间结构的实例简化成离散模型,进行模拟计算,计算结果说明系统有较好的跟踪特性,当LSS的柔度变化较大时,系统具有跟踪的鲁棒性。     

挠性航天器大角度机动的变结构控制

考虑刚性主体上带有挠性梁的航天器 ,在建立挠性系统动力学模型的基础上 ,采用等速趋近率的滑模变结构控制策略进行大角度机动控制 ,并通过最优控制理论设计弹性稳态器 ,抑制由于刚体运动而激发的弹性振动 ,实现了旋转机动的同时 ,有效抑制弹性振动     

含板类柔性附件的充液航天器动力学研究

对含有板类柔性附件和曲壁轴对称充液储腔的复杂航天器系统进行动力学建模和耦合机理研究。首先，采用Kirchhoff-Love薄板理论对航天器的板类柔性附件进行研究，通过D’Alembert原理得到柔性附件的振动方程，运用模态假设法将混合方程转换为常微分方程。其次，通过推导充液航天器储腔内任意点的运动，得到储腔液体的牵连速度势函数，采用Gauss超几何级数得到液体相对速度势函数的解析形式，通过Hamilton变分原理推导液体晃动的运动方程，以及液体速度势函数模态系数的控制方程。最后采用准坐标Lagrange方程得到耦合航天器系统的状态方程，通过数值仿真校验系统动力学模型的有效性。研究结果表明，刚性平台、液体、柔性附件的相互耦合效应使得航天器系统存在复杂动力学行为，在复杂航天器系统动力学建模过程中需要充分考虑液体晃动和柔性附件振动的影响，柔性附件的安装位置对于耦合航天器系统的动力学行为也有着重要影响。     

航天器的起旋和消旋运动

本文利用轴对称刚体在自身力矩作用下,绕定点运动的一阶正规型运动微分方程代替欧拉方程,讨论航天器的起旋和消旋运动。给出两个卡尔丹角为小量时运动方程的解析积分,由此直接导出航天器相对质心的动量矩矢量及自旋轴在起旋和消旋运动中的变化规律。并以伽里略航天器作为具体对象进行了数值计算。     

带挠性附件航天器刚柔耦合动力学

针对有板式挠性附件的航天器，根据几何变形约束法引入有限元方法，用Lagrange方程建立系统的刚柔耦合一次近似动力学方程组。在动力学方程中获得了与大范围刚体运动有关的动力刚度项。仿真结果表明，在柔性体大范围运动时动力刚度项的影响较大，忽略动力刚度项的传统动力学建模方法会给出错误结论。     

挠性航天器旋转机动的变结构控制

本文研究在控制器能量受限条件下，一类挠性航天器旋转机动的控制问题。考虑刚性主体上带有挠性粱的航天器，并假定它在一平面内作旋转运动。本文针对航天控制工程中执行机构的工作模式，基于系统的无穷维模型，设计了简单易行的变结构控制方案，并证明了相应的闭环系统的渐近稳定性。数值仿真和物理实验结果显示了所设计的控制算法的有效性。     

有扰情况下欠驱动刚性航天器旋转轴稳定研究

研究欠驱动刚性航天器受到正弦干扰力矩作用时的旋转轴指向稳定控制问题。采用欧拉-泊松形式描述航天器的运动方程,然后分别针对轴对称情况和非轴对称情况设计控制律,并结合Lyapunov直接法和LaSalle不变性定理证明控制律的全局渐近稳定性。理论分析和仿真结果都表明新的控制律能够实现旋转轴指向全局渐近稳定。     

一类挠性航天器的变结构控制

本文研究在控制器能量受限条件下，一类挠性航天器的姿态控制问题。考虑刚性主体上带有挠性梁的航天器，并假定系统在一平面内作旋转运动。针对航天控制工程中执行机构的工作模式，基于系统的无穷维模型，本文设计了简单易行的变结构控制方案，并证明了相应的闭环系统的渐近稳定性。数值仿真和物理实验结果显示了所设计的控制算法的有效性。     

航天器挠性附件刚柔耦合动力学建模与仿真

大型挠性航天器在进行轨道机动或姿态调整等大范围刚体运动时,将与其挠性附件的变形运动发生强烈的耦合,传统的零次近似动力学模型已不能正确揭示此时系统的动力学行为。现针对带梁式挠性附件的航天器,在计及挠性附件变形位移场耦合作用的基础上,通过Lagrange方程建立了航天器的刚柔耦合一次近似动力学模型,并利用Wilson-θ方法进行了数值仿真。仿真结果说明,在航天器经历大范围刚体运动时,该动力学模型能够正确预示挠性附件的动力学行为;挠性附件的振动频率随着大范围刚体运动速度的增加而增大,出现了动力刚化现象。