带太阳帆板航天器刚柔耦合动力学研究

 以带有太阳帆板的航天器为研究对象,计及太阳帆板变形位移场的非线性耦合项,采用假设模态离散变形,基于Kane方程建立起系统的刚柔耦合一次近似动力学模型。分别就大范围刚体运动已知和未知两种情况下进行了数值仿真。仿真结果说明,此模型能准确的预示大范围运动下挠性航天器的动力学行为,而传统的零次近似动力学模型由于丢失了动力刚度项而会得到错误结论。     

挠性航天器大角度机动的滑模变结构控制

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，采用指数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，数字仿真表明，提出的控制策略在实现旋转机动的同时，有效地抑制了弹性振动。     

基于输出反馈的柔性航天器变结构跟踪控制方法

为解决柔性航天器姿态机动的控制问题,给出了基于输出反馈的变结构跟踪控制算法。针对柔性航天器的大角度机动,在建立了柔性航天器相对参考轨迹的动力学方程的基础上,设计了仅利用航天器本体的角度和角速度信息的变结构跟踪控制器,使得姿态状态跟踪误差(包括姿态跟踪误差和姿态角速度跟踪误差)以及挠性附件的模态变量从任意的初始状态出发都会到达包含原点的一个闭集内,并且姿态状态跟踪误差能收敛到零,并给出了严格的数学证明。仿真结果证明了所提控制方法的可行性和有效性。     

挠性多体航天器姿态动力学建模与分析

针对带有多个挠性附件以及天线转动机构的卫星等多体航天器．利用伪坐标Lagrange方程建立了系统的姿态动力学模型。通过仿真计算．分析了星体与天线运动的耦合特性．以及挠性附件干扰对卫星姿态的影响．验证了数学模型的正确性。     

挠性航天器的退步直接自适应姿态跟踪控制

 针对参数不确定的挠性航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种退步直接自适应控制算法。首先验证了挠性航天器动力学子系统的近似严格正实性,并设计了具有理想控制性能的参考模型;然后对以姿态四元数描述的运动学子系统设计常系数输出反馈中间控制律,使航天器姿态四元数输出渐近跟踪参考模型输出;最后退一步,对具有参数不确定特性的动力学子系统,基于非线性直接自适应控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了退步直接自适应姿态跟踪控制器,并证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明,所提控制方法能有效抑制挠性附件的振动,对挠性航天器的控制是有效的。     

地球同步轨道薄膜太阳帆的姿态轨道控制方法

薄膜太阳帆（FSS）是集推进、发电和姿轨控功能于一体化的超大型挠性太阳帆式航天器，通过调整薄膜反射率产生可变推力和力矩，实现其姿态和轨道运动控制。结合薄膜太阳帆在地球同步轨道运行时的受力特性进行了轨道漂移分析。通过建立薄膜太阳帆动力学模型及受力模型，提出了调整帆面角度轨道修正方法以及基于薄膜光压力矩角动量卸载的长期在轨对日定向面内双轴动量轮稳定控制方法。通过系统仿真验证表明所提的轨道修正和对日定向控制方法是合理有效的，可使薄膜太阳帆长期在定点位置维持对日定向。     

推力协同的大柔性飞行器纵向姿态控制

为了研究大柔性飞行器飞行/结构耦合动力学特性，提出了改进的面向控制的大柔性飞行器多体模型，开展了大柔性飞行器纵向动力学耦合特性分析与推力协同下纵向姿态控制律设计。采用二面角动态近似描述大柔性飞行器结构动力学特征，并推导了纵向耦合动力学模型。根据改进模型在配平点处的线性化模型，分析了飞行/结构耦合系统的纵向稳定性与结构变形量之间的关系。针对大柔性飞行器姿态稳定与跟踪，设计了纵向姿态控制器。与常规飞行器相比，大柔性飞行器飞行过程中会发生大变形，当载荷较大时，配平构型近似“U”形，此时纵向动力学具有长周期不稳定的特征。分析结果表明:大柔性飞行器各模态之间的耦合程度随着变形的增大而增大。此外，纵向姿态控制需要升降舵与推力协同控制速度和俯仰角并且考虑结构动力学的影响，否则飞行/结构的耦合作用会导致姿态跟踪误差衰减缓慢甚至发散。      

考虑连接非线性的大型桁架天线分散协调控制

针对含非线性连接的大型桁架式天线，考虑铰链非线性所产生的影响，基于连接子结构模态综合建模方法，建立其低阶非线性动力学模型。在此基础上，将动力学模型转换为分散参数化模型，并考虑状态变量不完全可测因素，设计适用于一致性理论的最优观测器。然后基于图论的思想提出桁架式天线的一致性形面保持控制方法，不仅实现了桁架式天线的高精度形面保持控制，同时对作动执行机构的失效具有容错性。仿真结果表明了所提控制方法的有效性。     

附加质量对大展弦比无人机动力学的影响

大展弦比无人机在空中飞行时,其机翼将改变周围气流的动能进而产生附加质量。为了研究所产生的附加质量对大展弦比无人机动力学特性的影响,采用Barrows矩阵建立大展弦比无人机的附加质量矩阵,采用多体动力学方法将大展弦比无人机划分为左右机翼、机体、螺旋桨的多刚体系统,基于Gibbs-Appell方程推导并建立了大展弦比无人机的动力学模型。通过仿真结果发现:当无人机作沉浮运动时,多体动力学建模与单刚体建模结果一致,证明了多体动力学建模思路的正确性;引入大展弦比无人机的附加质量矩阵后,其对无人机的沉浮运动无较大影响,但在无人机作盘旋运动时,与未引入附加质量矩阵相比仍存在10%的差异。     

航天器大型柔性附件地面模态试验与性能评价研究

航天器大型柔性附件地面模态试验既须考虑空气阻力影响,又要分析地面重力带来的边界效应的影响,以动力学特性完全确定的标准杆结构为依托,首先在气动-电磁悬挂系统上进行不同长度标准杆地面模态试验,然后利用Rayleigh-Rize法和有限元法进行数值仿真模拟,研究表明气动-电磁超低频悬挂系统使水平方向测试结果偏高而使垂直方向测试结果偏低,并开展气动-电磁超低频悬挂系统性能评价研究,建议通过电磁力抵消附加质量影响并在水平方向增加随动设计。     

航空发动机双转子系统“临界跟随”现象的机理及影响

为了探明“临界跟随”现象导致航空发动机振动居高不下的产生机理,建立了考虑中介轴承的双转子动力学模型,推导了双转子发生“临界跟随”现象时参数之间的关系,分析了“临界跟随”状态下转子系统的动力学特性。结果表明:“临界跟随”现象会导致转子系统无法越过盘偏摆振型临界转速,造成转子振动对不平衡质量分布极其敏感,其主要影响因素为盘极转动惯量与直径转动惯量的比值(简称惯量比)以及双转子增速比；当高压盘等效惯量比等于1,或增速比与任意低压盘惯量比相等时,转子系统表现出高压激励条件下的“临界跟随”特征；当低压盘惯量比等于1,或增速比与高压盘等效惯量比的乘积等于1时,转子系统表现出低压激励条件下的“临界跟随”特征。提出了必须严格控制航空发动机叶盘的等效惯量比以及双转子转速控制律的设计建议。      

Event-triggered and consensus-based attitude tracking alignment for discrete-time multiple spacecraft system exploiting interference

This paper presents a discrete-time attitude control strategy with equi-global practical stabilizability for aligning the attitude of multiple spacecraft to a predesigned configuration according to a time-variant reference. By utilizing the interference of the wireless channel, the communication scheme designed in this paper can save communication resources, amount of computation, and energy proportionally to the number of spacecraft. The exact discrete-time model and approximate discrete-time model of the consensus-based spacecraft tracking system are given. Then the framework for the design of an event-triggered control scheme for the exact discrete-time system via its approximate models is developed, which avoids the periodic actuation, and Zeno behavior is proved to be excluded. Furthermore, the control scheme can handle the presence of the unknown fading channel. Finally, simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the control strategy.     

空间对接地面半物理仿真台系统仿真研究

 飞行器空间对接地面半物理(HIL)仿真台是进行空间对接技术研究、对接机构地面检测以及对接过程的故障复现等多种用途的关键设备。论文阐述了飞行器空间对接地面半物理仿真台系统建构思想。在此基础上推导出空间对接地面半物理仿真台的空间对接动力学模型。基于物理建模的思想，用SimMechanics工具箱建立了空间对接地面半物理仿真台的机械系统，用Matlab/Simulink建立了控制系统模型，建构了虚拟空间对接地面半物理仿真台。采用滞后补偿等使系统的闭环动态性能达到要求。在空间对接地面半物理仿真台虚拟样机上，采用无阻尼振荡模型对空间对接动力学模型等进行了验证，对空间对接的缓冲过程进行了仿真。仿真结果表明空间对接动力学模型是正确的，空间对接地面半物理仿真台系统的建构思想是可行的。     

Output stabilization of flexible spacecraft with active vibration suppression

Addressed here is the problem of designing a dynamic controller capable of performing rest-to-rest maneuvers for flexible spacecraft, by using attitude measures. This controller does not need the knowledge of modal variables and spacecraft angular velocity. The absence of measurements of these variables is compensated by appropriate dynamics of the controller, which supplies their estimates. The Lyapunov technique is applied in the design of this dynamic controller. Possible source of instability of the controlled system in real cases are the influence of the flexibility on the rigid motion, the presence of disturbances acting on the structure, and parameter variations. In order to attenuate their effects and to damp out undesirable vibrations affecting the spacecraft attitude, distributed piezoelectric actuators are used. In fact, in presence of disturbances and/or parameter variation the proposed controller ensures an approximate solution of the control problem.     

Identification Algorithms for Micro-Propulsion System Parameters Using Drag-Free Test Masses

Propulsion system characteristics determine to a large extent the dynamic behavior of a spacecraft. For many future science missions technologically novel micro-propulsion systems are required. In order to support its characterization, in-orbit experiments and subsequent data processing on ground can be an appropriate add-on to ground-based laboratory measurements. In this paper two identification methods for three major thruster parameters, thrust gain, thrust direction, and lever arm, are presented and compared. They are based on measurements of a precise inertial instrument that consists of two test masses, whose degrees of freedom are “mixed” with respect to its control principle, i.e. they are either drag-free controlled (free-flying) or suspension controlled (accelerometer mode). Using drag-free coordinates is a novel approach. It is related and compared to the more conventional approach using “accelerometer-like” measurements.     

空间站姿态控制的一种新算法

以四元数作为定位参数对空间站进行姿态控制。首先给出了以四元数表示的系统动力学西式其次提出了非线性三轴姿态控制方法,该方法是以四元数作为反馈量,控制力矩陀螺作为执行元件,利用李亚普诺夫函数对非线性系统进行控制,为大型航天器的姿态控制开辟了新的途径;最后以一空间粘为例进行了姿态控制仿真计算,从而说明以四元数为定位参数的空间站姿态控制方法具有计算速度快、计算精度高等优点。