关于航天器铰接结构非线性动力学研究的几点建议

航天器铰接结构非线性动力特性直接影响到航天器动力学模型的建立、航天器姿态控制方案的制定和有效载荷指向稳定度的保持。文章简单介绍了铰链非线性建模、铰接结构非线性振动以及非线性模态分析、降阶等方面的最新研究成果，并针对铰接结构非线性动力学研究领域有待解决的问题提出了一些建议。     

基于非线性模态的复杂系统动力学特性分析方法

针对非线性问题计算方法复杂和计算时间冗长一直是动力学领域的难点问题，给出了一套简单、准确、高效的非线性模态分析方法，对于常见的非线性系统（如杜芬系统、干摩擦系统和非线性材料等）均适用，具有一般性。首先，给出所提方法的基本理论与分析流程；然后，以杜芬系统为例阐述了其在非线性实模态域的应用，以干摩擦系统为例描述了其在非线性复模态域的应用，以压电系统为例展示了其在多场耦合域的应用；最后，给出了基于该理论对大型复杂非线性系统求解时的减缩方法。所提方法的核心在于建立非线性模态参数关于模态幅值的变化规律，不仅将系统的稳态响应求解问题简化为一维代数问题，极大地简化了数值计算过程，而且有助于分析、理解系统的非线性动力学行为。将所提方法与模态综合法结合，可用于高效求解大型复杂非线性系统动力学特性。      

翼尖铰接复合飞行器动力学特性研究

航空飞行器通过翼尖铰接机构复合飞行时的气动耦合效应，会造成飞机产生不同于其单独飞行时的动力学特性，出现复合飞行安全问题。为研究翼尖铰接复合飞行器的动力学特性，使用Newton-Euler方法和Robberson-Wittenburg方法建立了双机组成的翼尖铰接复合飞行器多刚体系统整体和内部的7自由度非线性动力学和运动学方程组。在气动准定常假设下建立双机复合系统非耦合气动力表达式，基于CFD方法开展复合飞行器系统的三维实体建模和非结构网格划分工作，获取复合飞行器系统的气动力数据。搭建动力学仿真平台，开展准配平方案和全配平方案下的动力学仿真。仿真结果表明:准配平方案下飞行器无法持续稳定飞行，而全配平方案下复合飞行器系统各运动参数在仿真时间内始终趋于稳定。在全配平方案下，使用小扰动假设的非解耦线性化方法重新整理7自由度动力学方程组，研究复合飞行器系统运动模态的特征值中出现的2个发散新模态，根据对应的特征向量发现2个发散模态分别由相对滚转角度和角速度主导，同时也比较分析了其他运动模态相比单机飞行时的特性变化规律。      

一种柔性铰链连接的柔性板结构振动模态分析

针对一种空间铰接柔性板结构的振动特性进行了分析,采用有限元分析方法给出通过柔性铰链连接的柔性板结构建模思路.利用有限元软件ANSYS对几种不同的铰链扭转刚度条件下铰接柔性板结构进行了模态分析,获得了模型结构的前五阶模态曲面及其模态频率.并比较了不同铰链刚度对铰接柔性板结构的模态振型和模态频率的影响.该分析有助于研究铰接柔性板结构的动力学和控制方案的设计、建模和分析.     

六自由度压电隔振平台面向控制的模态分析与动力学建模

六自由度压电隔振平台各通道之间存在的强耦合性以及压电作动器固有的迟滞非线性都对系统动力学建模提出了挑战。为此，基于模态分析技术对六自由度压电隔振平台开展面向控制的非线性动力学建模研究。在充分考虑压电作动器的迟滞非线性后，采用模态坐标变换方法建立了隔振平台Hammerstein非线性动力学模型，包含了输入端的静态迟滞非线性子系统、解耦的模态方程组以及模态正/反变换矩阵。通过实验测量方法辨识得到模态方程中的参数，采用MPI模型辨识得到静态迟滞非线性子系统，并经过逆补偿控制实验验证了迟滞模型的正确性。基于迟滞逆补偿策略辨识得到模态反变换矩阵。最终建立了平台的动力学模型，为后续的控制奠定了良好的基础。      

含间隙非线性二元翼段的系统辨识

在实际包含间隙非线性的复杂结构中，由于间隙不易或无法测量，难以建立准确描述结构特性的动力学模型；即使间隙得到准确测量，也难以获得结构的标称线性系统的模态参数。为此，利用条件逆谱法和时域非线性子空间法，通过非线性系统辨识获得间隙非线性系数，同时获得非线性结构的标称线性系统的频响函数。以一个包含间隙非线性的二元翼段为例，通过数值方法模拟该二元翼段的地面振动试验，利用条件逆谱法和时域非线性子空间法开展该结构的非线性系统辨识。结果表明:两种方法均可准确地辨识结构的标称线性系统，条件逆谱法利用光滑函数近似，时域非线性子空间法利用多个分段线性函数重构，辨识得到间隙非线性系数。      

带间隙伸展机构力学仿真研究

针对带铰接间隙大型桁架式伸展机构的动力学方程,分析了方程的非线性特性,研究了其数值求解方法,以梁和典型伸展机构平面模型为例进行了仿真分析,得到了结构的非线性动响应情况,与实验比较,证实了仿真的有效性。最后给出结论。     

考虑几何非线性的气动弹性模型缩比方法

随着飞机性能和需求的提高，大展弦比高柔性机翼逐渐成为新型飞机的主要结构形式。这类机翼具有高升阻比、大变形和重量轻等特性，几何非线性效应明显。然而机翼的大展弦比高柔性会带来更大的机翼变形，而机翼大变形则会引起相关的非线性气动弹性行为。为了评估这些非线性气动弹性行为并同时降低设计风险和成本，一般要使用缩比模型进行风洞试验以研究和确认真实飞机的气动弹性特性。基于此，首先使用了传统线性缩比方法来进行缩比，通过刚度质量耦合匹配模态响应法与刚度质量解耦匹配模态响应法这2种线性缩比方法，不断优化缩比结构的设计参数来满足目标缩比值。同时，提出一种动力学有限元模型的非线性静响应-模态协同优化方法，该方法是基于等效静态载荷法的几何非线性气动弹性模型缩比方法，通过2个不同的优化子程序分别匹配全尺寸飞机的非线性静响应和模态振型。结果表明，相比于传统线性缩比模型，考虑几何非线性的缩比模型能够更好地再现全尺寸飞机的非线性气动弹性行为。      

空间交会停靠的变结构控制

介绍空间交会对接中的接近段采用的变结构控制方法。变结构控制中滑动模态的设计很重要，比较常见的滑动模态设计为状态变量的线性关系。根据相对运动方程的特点，设计了非线性的滑动模态，并对其稳定性作出了证明；还对变结构控制方法和经典的PID控制方法进行了比较，变结构控制比PID控制的控制精度差，但是燃料消耗要少。     

带间隙空间结构的动力学特性分析

研究带间隙空间结构的动力学问题。着重讨论了间隙引起的结构非线性特性,从理论上探讨了一维间隙系统的定量及定性求解方法,并通过伸展机构的试验研究,验证了间隙对结构动力学特性的影响。     

电液复合系统中的相乘非线性控制

针对机载电液复合控制非线性被控系统,建立了系统的相乘非线性数学模型,提出了基于反馈线性化的在线滚动优化控制方法.系统的相对阶小于系统的阶数,因此通过反馈线性化将非线性被控系统化为一线性子系统和非线性部分,在保持非线性部分零动态渐近稳定的基础上,引入在线滚动优化提高系统的动态响应, 而且未建模动态具有很强的鲁棒性,目标优化函数取控制量的偏差和跟踪误差的偏差的二次型,并且通过状态反馈保持整个系统的稳定性.系统仿真研究表明该控制方法使得系统对不确定因素和外来干扰具有很强的鲁棒性,系统具有更好的动态性能.     

系统模态下柔性航天器混合坐标动力学方程

首先建立了采用任意浮动参考系时的柔性航天器动力学方程；然后选择连体坐标系为浮动参考系，解所得到的动力学方程的特征值问题，得到整个航天器系统的系统模态。通过模态变换，得到用连体系刚体位移和系统模态坐标表示的混合价值航天器动力学方程。与通常采用部件模态得到的混合坐标动力学方程不同，这时弹性运动方程中不存在来自刚体运动的惯性耦合项；同时也和采用系统自由弹性模性不同，这时刚体坐标直接反映航天器刚体运动。论     

挠性航天器姿态机动时间最优控制研究

针对挠性航天器单轴姿态快速机动的控制问题,将系统的模型处理成非约束模型,采用极小值原理求解了问题的时间最优控制律,并结合边值条件推导了时间最优控制的切换时间应满足的充要条件.利用切换时间所满足的非线性方程组分析和证明了时间最优控制的对称性及满足的条件:在不考虑阻尼系数时,问题的时间最优控制是机动时间上的对称函数.利用这个规律,对刚体+1阶挠性模态的时间最优姿态机动问题进行了解析求解.针对挠性模态阶次较高时难以求解非线性方程组的问题,将模型离散化,把问题处理成一系列受约束的最小二乘优化问题来求解,数学仿真表明了该方法的有效性.     

航天器反作用轮扰动建模及参数辨识

为预测反作用轮微振动对航天器产生的影响,提出了一种改进的扰动模型.由于共振造成的扰动放大是反作用轮扰动对卫星姿态精度的最重要影响,改进模型通过引入放大系数体现结构固有频率对扰动的影响.鉴于改进模型的非线性特性,应用模拟退火遗传算法对改进模型进行了参数辨识.设计刚性六分量力测试平台对反作用轮扰动进行测试,并利用实测数据对改进模型及参数辨识结果进行验证.验证结果表明:改进模型准确地反映了反作用轮的扰动特点,模拟退火遗传算法可以提高参数辨识的精度.     

基于直接自适应的挠性航天器姿态稳定控制

针对挠性航天器姿态稳定控制,基于退步控制方法与直接自适应控制方法提出了一种自适应控制策略。首先将挠性航天器模型分解为运动学子系统和动力学子系统,并设计具有理想控制性能的参考模型;然后在姿态小角度的假设下,对满足近似严格正实性的姿态运动学子系统设计了直接自适应中间控制律;最后运用退步控制方法对航天器动力学子系统设计了姿态控制器,并证明了闭环系统的稳定性。理论分析和数值仿真结果表明该控制器对挠性航天器的姿态稳定控制是有效的。     

Spacecraft formation flying control around L2 sun-earth libration point using on–off SDRE approach

In this paper, on–off SDRE control approach is presented for spacecraft formation flying control around sun-earth L2 libration point. Orbits around libration points are significant targets for many space missions mainly because of efficient fuel consumption. Furthermore, less propellant usage can be achieved by considering optimal control approaches in spacecraft formation flying control design. Among various nonlinear and optimal control methods, SDRE has shown to be a popular controller in various missions due to the privileges including efficiency, accuracy and robustness. The spacecraft are assumed to have on–off thrusters as actuators. It requires them to be fed with a sequence of on–off pulses which is regarded as a challenge for spacecraft designers. Hence, the main contribution of this paper is designing an on–off SDRE approach for the formation flight around sun-earth L2 point with uncertainty with energy and accuracy considerations. Including on–off input as a constraint is not feasible for SDRE implementation because it makes the system non-affine. An alternative is utilizing an integral action technique and an auxiliary control to make the system affine which leads to on–off SDRE approach. It has also been shown that the proposed method is robust against parametric uncertainties of the states. Present study aims to design an energy-beneficial, simple and attractive controller for a complex nonlinear system with on–off inputs and uncertainty in CRTBP. Simulation results show that the on–off SDRE control could provide the formation flight around L2 point with high accuracy using less energy consumption.     

Predictive fault-tolerant control of an all-thruster satellite in 6-DOF motion via neural network model updating

The problem of controlling an all-thruster spacecraft in the coupled translational-rotational motion in presence of actuators fault and/or failure is investigated in this paper. The nonlinear model predictive control approach is used because of its ability to predict the future behavior of the system. The fault/failure of the thrusters changes the mapping between the commanded forces to the thrusters and actual force/torque generated by the thruster system. Thus, the basic six degree-of-freedom kinetic equations are separated from this mapping and a set of neural networks are trained off-line to learn the kinetic equations. Then, two neural networks are attached to these trained networks in order to learn the thruster commands to force/torque mappings on-line. Different off-nominal conditions are modeled so that neural networks can detect any failure and fault, including scale factor and misalignment of thrusters. A simple model of the spacecraft relative motion is used in MPC to decrease the computational burden. However, a precise model by the means of orbit propagation including different types of perturbation is utilized to evaluate the usefulness of the proposed approach in actual conditions. The numerical simulation shows that this method can successfully control the all-thruster spacecraft with ON-OFF thrusters in different combinations of thruster fault and/or failure.