挠性航天器伸展动力学分析

本文导出了带挠性伸展附件航天器姿态动力学方程，研究了附件伸展和振动对姿态动力学的影响。对于附件按指数规律伸展情况，以及附件长度的次方随时间线性变化情况，给出了姿态角速率的渐近公式。     

充液挠性多体航天器的变结构控制

本文首先给出了充液中心刚体上铰接有多个挠性附件的开链多体系统的简化动力学方程，并以跟踪与数据中继卫星为例，用变结构控制方法设计了系统的控制器。控制任务是驱动单址天线使之精确地跟踪期望的运动规律，同时保持星体稳定，并且有效地抑制弹性附件的振动。数值算例证明了所设计控制规律的有效性。     

带有输入非线性的挠性航天器姿态机动变结构控制

针对挠性航天器反作用飞轮输入力矩受限情况下的姿态机动问题，提出了一种仅利用输出信息的变结构输出反馈控制方法。在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上，给出了滑模存在条件以及变结构输出反馈控制器设计的方法，并保证闭环系统渐近稳定；另外，为了避免确定不确定性和外干扰界函数上限的困难，又给出了一种自适应变结构输出反馈控制器的设计方法，并基于Lyapunov方法分析了滑动模态的存在性及稳定性。最后，将本文提出的两种控制方法应用于三轴稳定挠性航天器的姿态机动控制，并进行数值仿真研究。仿真结果表明：在反作用飞轮的控制受限条件下，完成姿态机动的同时，使得挠性附件的振动幅值远远小于0．001，有效地抑制挠性附件的振动。     

簇状卫星姿态控制方程的通用建模方法

当前卫星通常都由一个中心刚体和其他挠性附件构成，每个挠性附件都与中心刚体直接相连，组成了一个簇状的刚柔耦合的多体系统。随着挠性附件的数目的不同，卫星系统的拓扑构型也将有所不同。即使对于同一颗卫星而言，在展开过程的不同阶段，卫星系统具有不同的拓扑构型。本文利用柔性多体系统动力学的单向递推组集方法，提出了一套通用的解决方案，以推导具有不同拓扑构型的簇状卫星的姿态控制方程，得出了姿态控制方程的系数矩阵。     

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。     

欠驱动挠性航天器的全姿态控制

考虑欠驱动挠性航天器姿态控制问题,其中执行机构配置为两轴喷气和飞轮执行机构。提出了“喷气消旋＋飞轮机动”的分段控制方法,其基本思想是：首先利用喷气推进执行机构使航天器整星角动量趋于零,为飞轮控制做准备;然后利用飞轮执行机构使航天器从任意姿态转向指定姿态并维持。针对“喷气消旋”,说明了提出的控制规律能够保证航天器角动量全局渐近收敛于任意小量;针对“飞轮机动”,证明了航天器全姿态具有大范围渐近稳定性;针对“喷气消旋＋飞轮机动”的完整过程,采用扰动系统理论分析了闭环控制系统的大范围终端有界性。     

带挠性附件三轴稳定卫星姿态动力学状态空间模型研究

对带挠性附件三轴稳定卫星姿态动力学状态空间模型建立进行了研究。用混合坐标法建立带挠性附件的卫星的动力学方程,对挠性体的高阶模态作截断处理以简化模型。用小角度近似获得了以姿态角表示的刚体卫星线性化姿态动力学方程,给出了卫星姿态动力学方程状态空间方程,将卫星的挠性附件振动耦合作用作为一种外部干扰力矩叠加到线性方程中,建立了完整的带挠性附件三轴卫星姿态动力学方程的状态空间模型。以某带单翼太阳电池板的卫星作为算例,设计了基于状态空间模型的控制器,结果表明基于状态空间模型设计的高阶线性控制器能对具非线性时变特性的卫星进行有效控制,对帆板等挠性附件的振动有主动抑制功能。     

挠性航天器在轨分离冲击缓冲模糊滑模控制研究

为降低在轨分离冲击载荷对挠性航天器的影响,进行了基于磁流变阻尼缓冲器( Magneto-rheological)的减振研究,将磁流变阻尼缓冲器应用于航天器冲击减振。基于有限元和Lagrange方法,建立了发生大范围运动的挠性航天器状态模型,采用趋近律滑模控制算法控制阻尼器输出,并提出一种二维模糊控制方法控制趋近系数来提高系统的动态品质,同时抑制趋近律中切换项导致的抖振现象。数值计算表明,采用此方法控制的磁流变阻尼缓冲装置显著降低了冲击载荷对基座的影响,并有效抑制了抖振现象,减弱了基座与挠性附件之间的运动耦合,使挠性附件的速度、加速度变化更为平稳。此控制方法较传统滑模控制能更好地跟踪输出值,且有较好的稳态输出值。     

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。     

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。     

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。     

挠性双自旋卫星的姿态稳定判据

本文建立了挠性双自旋卫星的姿态稳定性判据。挠性双自旋卫星由半刚性平台、转子以及固连于平台的挠性附件组成,选择由姿态角和模态坐标表示的系统的相对能量函数为Liapunov函数,由此建立的姿态稳定判据由两个部分组成,即忽略附件弹性运动时,半刚性双自旋卫星的姿态稳定条件和附件振动频率所应满足的条件。文中还给出了具体的应用例子。     

控制受限的挠性航天器姿态机动自适应变结构输出反馈控制

针对挠性航天器飞轮输出力矩受限情况下的姿态机动问题，提出了一种仅利用输出信息的自适应变结构输出反馈控制方法。在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上，给出了滑模存在条件以及自适应变结构输出反馈控制器设计的方法，并采用Lyapunov方法分析了滑动模态的存在性及稳定性。最后，将本文提出的控制方法应用于挠性航天器的姿态机动控制，并与传统的控制方法进行比较。数值仿真研究：在反作用飞轮的控制受限条件下，完成姿态机动的同时，有效地抑制挠性附件的振动；此方法具有设计简单、易于实现和鲁棒性好等特点。     

基于模态观测器的挠性航天器姿态控制

针对带有挠性附件航天器的姿态跟踪问题,提出了基于挠性模态观测器的滑模控制律。采用混合坐标法建立挠性航天器动力学模型,构造挠性模态观测器观测挠性模态位移及其变化率。选择一类滑模面,用Lyapunov方法得出基于挠性模态观测器的滑模控制律,并给出了稳定性证明。分别在变速率姿态跟踪,恒速率姿态跟踪和零速率姿态跟踪的情况下进行了仿真。仿真结果显示,与一般的滑模控制律相比,提出的控制律能够有效提高姿态控制的稳态精度,减小挠性模态振动对姿态控制的影响。     

基于机械飞轮干扰补偿的小卫星自适应滑模变结构姿态控制

针对机械飞轮内干扰可能导致小卫星姿态控制系统性能下降问题,提出了一种加入机械飞轮干扰补偿的自适应滑模变结构姿态控制方法.本文针对基于机械飞轮的三轴稳定卫星姿态控制系统,首先建立系统详细的数学模型,包括基于机械飞轮的三轴稳定卫星姿态动力学方程和机械飞轮控制系统模型,然后针对此系统设计了一种基于机械飞轮干扰补偿的自适应滑模变结构控制器,其中通过设计一种状态观测器得到机械飞轮摩擦干扰的估计值,用于对机械飞轮摩擦干扰的补偿,并通过Lyapunov定理证明了此控制律能保证系统的渐近稳定性.最后仿真结果显示,此方法缩短了飞轮转速过零时间,降低了最大的姿态扰动量且提高了卫星姿态控制的精度和稳定度.     

新的质量阵和刚度阵概念及其在非对称挠性飞行器建模中的应用

在推导结构挠性问题的有限元质量阵和刚度阵时,通常认为挠性体及基座所构成的系统之质心不因挠性振动而作相对位移。而在具有对称挠性附件的飞行器挠性动力学中,基于挠性附件作反对称振动的假设,认为系统质心没有相对位移,因而传统的质量阵、刚度阵概念仍可使用。但是,当飞行器的挠性附件不对称时,挠性振动将引起系统质心的相对位移,此时,传统的质量阵、刚度阵概念不再适用。本文从虚功原理出发,推导出具有不对称挠性附件的飞行器的挠性变形动力学方程,据此抽象出一组新的质量阵和刚度阵概念,最后再反过来应用于具有不对称挠性附件之飞行器建模。     

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。     

基于内模原理的复杂挠性卫星姿态控制研究

首先对具有运动挠性附件的航天器的姿态动力学模型进行了简要讨论和分析,证明了对于受步进扰动的复杂挠性卫星系统,采用输出反馈PD控制仅能得到一致有界稳定的结论。为了获得闭环系统的渐近稳定性能,进一步构造了具有内模补偿的PD控制系统,并且根据Lyapunov理论给出了严格证明。基于美国GOES 8号静止轨道气象卫星公布的动力学参数,对PD控制及含有内模补偿的PD控制两类控制器进行了仿真对比,以校验所设计控制系统的有效性。最后,进行了总结并提出进一步的研究设想。     

挠性空间结构的低维控制

首先分析了具有Ｖｏｉｇｔ型粘性阻尼的挠性梁的动力学特性，构造了系统的有限维模态逼近模型，证明了其中Ｈ∞意义下的收敛性，进而构造了系统的低维控制规律，证明了闭环路控制的稳定性，从而形成了具有潜在工程应用前景的挠性空间结构振动控制的可靠方法。     

大挠性航天器的模糊模型预测控制

针对带有大型挠性附件的航天器姿态控制系统，将自适应模糊控制和模型预测控制相结合，设计了大挠性航天器的模糊模型预测姿态控制策略。基于大挠性航天器的动力学模型，采用泰勒展开设计出了非线性模型预测控制律，避免了预测控制在线优化过程中繁琐的计算，有效降低了计算复杂度。针对大挠性附件振动导致的不确定性扰动对姿态控制的影响，使用自适应模糊控制来逼近不确定扰动。基于Lyapunov理论证明了控制系统的稳定性，并推导了模糊参数的自适应律。仿真结果表明所设计的控制策略对大挠性附件振动有很好的抑制作用，可以控制姿态角对期望值实现快速跟踪，具有较好的控制特性。