挠性卫星轨控期间动力学与姿态控制

卫星轨道控制期间,轨道控制推力会激振挠性太阳帆板,从而也影响卫星的姿态。用拉格朗日方程建立了带有大型太阳帆板的卫星动力学模型,分析了卫星质心运动、姿态运动与挠性振动的耦合关系。根据姿态控制推力器的输出特性,设计了轨道控制期间卫星姿态控制方案。通过数学仿真验证了轨道控制推力对挠性帆板与卫星姿态的影响,验证了轨控期间姿态控制方案的有效性。     

一类刚柔耦合非线性系统的动力学建模

用拉格朗日方程推导了带有大型天线的地球同步轨道卫星这一特定的刚柔耦合多体系统的动力学方程。因为考虑了星本体相对轨道坐标系的三维空间姿态运动、天线支撑臂的弹性运动以及天线对低轨道用户的跟踪指向运动 ,所得的动力学方程能更为全面地反映此类卫星的刚体运动与弹性体运动之间的耦合及其真实的动力学行为。根据此方程可以推出不同情况的简化方程。当需要对原系统进行振动分析时 ,可选用相应的简化结果 ,而不必重新进行繁琐的推导。该文所介绍的方法同样适用于一般刚柔耦合系统的动力学分析     

空间运动体上梁的三维动力学建模和仿真

对附着在空间运动体上梁的动力学问题进行了研究,运用Lagrange方法建立了中心刚体作任意三维运动时,梁作横向振动和纵向振动的动力学方程,考虑了柔性梁的横向弯曲变形所带来的纵向位移,这种耦合变形使所得到的振动方程包含了动力刚化效应,这是与传统的梁振动模型的不同之处,最后通过仿真算例验证了该方法.      

导弹滚转通道气动伺服弹性稳定性分析

弹性飞行器可能由于结构、气动及控制的不利耦合引发气动伺服弹性失稳,为此分析了带有差动舵面及控制系统的细长体导弹滚转通道气动伺服弹性稳定性.导弹的广义非定常气动力采用气动导数方法计算,动力学方程考虑了弹体的刚体滚转运动和一阶弹性扭转振动.由导弹动力学方程求解得到滚转通道的开环传递函数,并应用Nyquist方法进行闭环系统稳定性分析.算例表明,若控制系统设计不当,系统有可能在弹性振动频率处发生气动伺服弹性失稳.      

梁纵向与横向耦合非线性振动分析

纵向振动和横向振动耦合是捆绑火箭等结构中的典型振动现象.以Rayleigh梁为研究对象,通过Hamilton变分原理推导了考虑应变二次项的纵向振动与横向振动耦合控制方程,并用有限元方法对该非线性系统的行为进行了模拟.针对线性系统固有振动频率和非线性纵横耦合动态响应情况,把所得结果与NASTRAN结果进行了比较,二者结果吻合,证明了本方法的正确性.在此基础上,借助振动控制方程和模拟结果,讨论了非线性系统频率与模态的时变特性,非线性动态响应频率成分特性,横向振动和纵向振动相互影响以及共振现象等.研究结果为本方法的实际应用提供了理论基础.      

绳系卫星释放及工作态动力学分析

考虑强系卫星系统强索质量的影响，导出三维空间动力学方程，运用Pontryagin极小值理论求出释放过程中张力优化控制规律；得到最佳释放速度变化曲线，对子星工作阶段进行动力学分析。讨论系统质心沿椭圆轨道运动与姿态运动的耦合，文中附有算例。     

含模糊参数振动系统的Taylor级数展开法

为研究模糊参数约束条件下振动结构模糊有限元平衡方程特征值的问题,通过模糊集合理论中隶属度的性质,把振动结构的不确定模糊参量表示成区间形式,得到区间有限元平衡方程,利用所提Taylor级数展开法求解可以得到特征值所在的区间集.将α水平截集下得到的区间解,通过模糊分解定理构造出振动结构模糊有限元平衡方程的模糊解,从而可以得到模糊参数约束条件下振动结构的固有频率的变化范围,为结构的模糊可靠性评价奠定了基础.通过数值算例表明了所提方法的可行性.     

量子科学实验卫星微振动地面测试与估计方法

介绍了卫星微振动地面测试和信号估计方法.根据量子科学实验卫星特点,对动量轮运行状态下光学载荷的微振动线位移及角位移进行估计.通过地面微振动测试系统,测量了动量轮运行下光学载荷的微振动加速度;应用小波积分方法,精确估计了卫星结构敏感点的振动线位移和振动角位移.通过工程实测证明了微振动测试与估计方法的有效性.研究结果对于高精度科学实验卫星微振动地面试验具有一定工程应用意义.      

裂纹转子的振动计算和稳定性分析

本文根据裂纹转子振动方程特点,论述了分析转子振动的理论方法,结合一含裂纹的Jeffcott转子算例,揭示了裂纹转子的振动特点。在论述分析转子稳定性一般方法基础上,给出了含裂纹Jeffcott转子稳定性分析结果,得出了影响稳定性的几个主要因素。     

摆镜摆动对星载CCD相机成像的影响

利用Ｌａｇｒａｎｇｅ方程,建立了摆镜摆动与卫星姿态振动相互影响的仿真模型,并用数值计算方法计算了卫星的姿态振动,仿真分析了对星载线阵ＣＣＤ成像质量的影响。     

带多个充液储箱航天器的耦合动力学建模方法

研究了充液航天器储箱内液体晃动与全星姿态运动的耦合动力学建模方法．分别基于单摆等效力学模型和质心面等效力学模型建立了全星姿态耦合动力学方程,并分别针对2个储箱串联布局、3个储箱并联布局的充液航天器在不同工况下的液体晃动问题进行了数值仿真研究;同时比较分析了两种储箱布局方案下液体晃动对航天器姿态运动的影响,为工程应用提供参考．     

跨音速风扇全环叶片颤振特性的流固耦合分析

发展了求解叶片颤振问题的流固耦合计算方法和全环叶片振动的气动弹性模型,在每一时间步同步求解流体运动方程和叶片振动方程并交换边界信息;流体域求解了非定常雷诺平均N-S方程,得到每一步由于叶片变形而引起的流场变化;叶片变形则由积分叶片表面受到的气动力并求解结构动力学方程得到.颤振分析是在全环叶片模型上进行的,并解除了预先设定叶片间相位角的限制.此方法的显著特征是在一次气动弹性计算过程中,可同时分析叶片多个固有模态、多个节径下的气动弹性稳定性,大大提高了使用时域法进行叶片排气弹分析的计算效率.考察了NASA rotor 67风扇全环模型在堵塞点、最高效率点和近喘点3个气动工况下,节径变化对叶片气动弹性稳定性的影响,给出了不同模态下气弹最不稳定状态对应的叶片振动节径形式.结果表明,振动形式对于叶片气动弹性稳定性的影响很大.     

压电网络板的振动控制原理与控制效果

在给出压电网络板机电耦合动力学方程的基础上对其进行求解,将压电网络板的响应表示为子模态压电系统响应的线性组合.通过分析压电网络板在脉冲激励下子模态压电系统的响应行为,揭示压电网络板可以通过两种途径控制自身振动.基于对传递函数的分析进一步得到子模态压电系统的最优电学参数;在此基础上研究了针对某一阶子模态压电系统设计最优电学参数时,各阶子模态压电系统的响应行为以及压电网络板的多模态控制效果.研究结果表明,压电网络板具有多模态控制效果,特别地,当对板的某一阶次的振动控制具有较高要求时,通过对最优电学参数进行设计,电感电阻并联型压电网络板可满足要求.     

压电自适应桁架结构主动控制模型及实验

为提高结构对外部环境的抗干扰能力,构造了压电柔性自适应桁架结构,并对其主动控制进行了研究.由传感器、作动器与柔性梁组成压电自适应桁架结构.基于自适应结构的机电耦合理论,在测量位移的情况下,采用改进的二次积分力反馈控制方法研究了空间压电柔性自适应桁架结构的振动主动控制问题.建立了压电柔性自适应桁架结构主动控制实验系统,并对这类自适应结构进行了实时计算机振动主动控制实验研究.实验研究表明柔性自适应桁架结构能够改善结构的动力学特性,对外界的干扰具有良好的自适应性.     

复杂动力学模型下星载天线跟瞄控制技术研究

针对星载天线动力学复杂这一问题,从天线系统刚柔耦合动力学建模、指向跟踪控制以及振动抑制等方面研究了柔性星载运动部件的指向控制方法。首先,通过描述系统几何拓扑关系建立系统运动学方程,从而简化动力学建模过程;之后,利用假设模态法,对天线反射面挠性进行建模;最后,将拉格朗日方程与挠性关节模型相结合,从而建立了星载天线非线性刚柔耦合动力学模型。在以上复杂动力学建模的基础上,采用分层设计的思路进行了控制策略设计：先运用基于计算力矩法的滑模控制器得到不考虑挠性关节的耦合控制律,从而保证卫星基体的稳定性以及天线挠性反射面的振动抑制;再使用反步法对挠性关节进行控制,实现对天线反射面的指向精度控制。最后,讨论了动力学参数不确定性对系统跟踪指向控制的影响并采用数学仿真的方式验证了相关动力学模型与控制算法。仿真结果表明该方法能较好地实现对星载天线的指向跟踪控制以及振动抑制,提高星载天线的动态指向精度。     

高超声速飞行器刚体／弹性体耦合动力学建模

高超声速飞行器广泛采用升力体、乘波体等气动布局和轻质复合材料、薄壁结构等,导致结构振动与刚体运动频率非常接近,给飞行器制导控制系统设计带来了巨大挑战.针对该类飞行器的特点,考虑结构的横向位移,将机身前后体简化为于质心处固联的2根悬臂梁,并从统一的能量观点出发,基于拉格朗日方程与虚功原理,在纵向平面推导出适合高超声速飞行器的刚体/弹性体耦合动力学模型.通过对比耦合模型与传统刚体模型的极点分布情况,发现结构振动与刚体短周期模态紧密耦合,离心力的引入影响了高度与长周期模态,对高超声速飞行器航迹运动的作用不可忽视.最后分析了飞行速度与结构阻尼变化对耦合模型动态性能的影响.结果证明飞行速度对刚体运动模态影响显著,而结构阻尼的变化主要改变弹性模态.     

Adaptive predefined-time control for liquid-filled flexible spacecraft attitude stabilization during orbit maneuver

A predefined-time attitude stabilization for complex structure spacecraft with liquid sloshing and flexible vibration is investigated under input saturation during orbital maneuver. First, the attitude dynamics model of liquid-filled flexible spacecraft is constructed. Meanwhile, the influence of solar panel vibration and liquid sloshing is treated as a disturbance in the controller design. Next, an adaptive predefined-time control scheme is proposed by applying sliding mode control theory. A predefined-time convergent sliding surface and reaching law are designed to ensure the predefined-time fast convergence rate. Furthermore, a novel adaptive algorithm is developed to handle the disturbances from liquid sloshing and flexible vibration, ensuring that the system converges to a small neighborhood of the equilibrium. Additionally, a new auxiliary system is constructed to deal with the effects of input saturation. At last, one simulation case is performed to verify the feasibility and advantages of the proposed algorithm.     

可伸缩挠性结构的稳定性研究

研究了一类可伸缩挠性梁结构的稳定性。主要结论有：一般可伸缩挠性梁结构的动力学可由刚体姿态运动、挠性体振动和梁伸缩运动相耦合的混合偏微分方程和常微分方程描述;结构振动与转动能量的耗散与积聚取决于梁的伸缩运动,在伸展过程中系统的能量被耗散,在收缩过程中系统能量被积聚,在平台保持过程系统能量维持不变。因此,梁的伸展过程是稳定的,梁的收缩过程是不稳定的,而平台保持过程是临界稳定的。     

压电周期板中耦合禁带影响规律分析

近年来，利用周期结构中弹性波禁带特性减振的研究思路受到了广泛关注。针对以往周期结构难以实现宽频且可调禁带的问题，设计了一种含电路网络的压电周期结构。该结构中的弯曲波和电路网络中的电波通过压电效应可以产生一个较宽的耦合禁带，且通过调整电路参数就可以达到调节禁带位置的目的。首先，为了高效计算该结构的波动特性，开发了适用于压电周期结构的减缩波有限元算法，该算法可以在保证结果准确性的基础上节约90%以上的计算时间。利用该算法研究了压电材料尺寸和形状对耦合禁带性能的影响。结果表明:相同电学参数下，随着压电片尺寸的增大，耦合禁带向低频移动，且禁带带宽增加；相同面积下含圆形和方形压电片的机电系统内耦合禁带差异较小，即形状对耦合禁带的分布影响不大。其次，针对不同尺寸和形状的机电系统，设计了电学参数使得在同一频率附近产生耦合禁带，并分析了其性能差异。最后，为了证明耦合禁带的减振效果，设计了一种有限压电周期板模型，其强迫响应的结果证明了耦合禁带对结构内弹性波可以进行有效调控。