空间智能桁架作动器/传感器位置优化中的遗传算法应用

研究了空间智能桁架振动控制中的作动器／传感器位置优化问题。在对作动器／传感器进行动力学建模的基础上，推导出整个空间桁架机电耦合作动方程和传感方程。基于作动效率和观测效率，提出了不依赖于控制方法的位置优化准则，采用遗传算法对作动器／传感器位置进行了优化。最后针对空间智能桁架进行了位置优化仿真和模糊振动控制仿真，仿真结果验证了遗传算法优化此类问题的优越性、可信性。     

压电框架单元及其在结构振动控制中的应用

重点阐述了含坟电传感器和执行器的复合结构框架有限元模型的建立过程，导出了压电框架单元的压电刚度矩阵和介电刚度矩阵，进而引入基本控制规律用数值例子说明了压电传感器与执行器在结构的振动控制中的具体应用。     

压电桁架结构动力学建模与振动控制

考虑叠层压电陶瓷主动杆件的机电耦合效应，建立了压电桁架结构机电耦合有限元动力学模型，给出结构系统检测方程，并分析其动态特性，除位移模态外，得到了系统电势模态。采用独立模态空间控制方法对结构振动进行控制，并进行压电主动杆件的多目标最优配置，除控制能量最小化外，对非控模态的控制溢出和观测溢出最小化是另外两个优化配置目标函数，算例表明分析方法的有效性和可行性。     

挠性板振动抑制的敏感器与驱动器优化配置

本文针对挠性板结构的主动振动控制问题，推导了悬臂板系统压电控制方程，利用方程的输入输出矩阵和板系统的固有特性（包括固有频率和结构阻尼比），给出一种压电敏感器/驱动器同位配置的优化方法。该方法根据每个敏感器/驱动器对相应模态的能观度/能控度的贡献大小，对板系统的每个驱动器输入到敏感器输出相应模态的范薮 进行适当加权后，得到模态范数矩阵，并由此利用2-范数和无穷-范数引出敏感器/驱动器可选位置的优化配置指标。     

采用共位配置的分布式压电敏感器和致动器的挠性结构振动控制

研究采用共位配置的分布式压电敏感器和致动器的挠性悬臂梁的振动控制问题，其中敏感器由压电聚乙二烯氟化物薄膜（PVDF）制成，致动器由压电陶瓷（PZT）或PVDF制成。本文首先建立系统的模型，设计了一种线性反馈控制方案，并应用无穷维空间的LaSalle不变原理，证明了相应闭环系统的渐近稳定性。     

智能结构有限元模型的建立及静态形状控制

本文建立了含有分布压电传感元件和执行元件的板结构的有限元模型，提出了一种新的具有电自由度板弯曲单元，用于分析含有分布传感元件和执行元件的板结构。以此为基础，提出了智能结构静态形状控制的一般方法，即被动控制方法和主动控制方法。最后，提供了两个数值示例，说明本文提出的方法的应用。     

振动抑制智能结构中智能材料配置和反馈增益的同时优化

针对空间挠性结构的振动抑制问题 ,提出一种对智能材料执行器 /敏感器配置 (包括位置和尺寸 )和反馈增益同时优化的新设计方法。在系统动力学模型和优化指标中 ,考虑了智能材料对被控结构的质量和刚度特性的影响 ,所得到的最优解不依赖于系统的初始状态     

Variable structure maneuvering control with time-varying sliding surface and active vibration damping of flexible spacecraft with input saturation

This paper presents a dual-stage control system design method for the three-axis-rotational maneuver and vibration stabilization of a spacecraft with flexible appendages embedded with piezoceramics as sensors/actuators. In this design approach, attitude control system and vibration suppression were designed separately using lower order model. The design of attitude controller was based on variable-structure control (VSC) theory leading to a discontinuous control law. To accomplish asymptotic attitude maneuvering in the closed-loop system and be insensitive to the interaction of elastic modes in the presence of unknown disturbances/uncertainty and input saturation as well, a switching mechanism is employed to design the attitude controller such that outside the sliding region VSC law with a time-varying sliding surface is implemented and inside the region the VSC law with a linear sliding surface is activated. Furthermore, a hyperbolic tangent function in conjunction with a sharpness function permitted to vary with time according to a set of user-defined parameters is implemented to offset the disadvantages of existing saturation-respecting controller and chattering. In addition, for actively damping the excited elastic vibrations during attitude maneuvering, modal velocity feedback and strain rate feedback control design methods are presented and compared by using piezoelectric materials as additional sensors and actuators bonded on the surface of the flexible appendages. Numerical simulations are performed to show that rotational maneuver and vibration suppression are accomplished in spite of the presence of disturbance torque, parameter uncertainty and control saturation nonlinearity.     

智能结构及其在振动主动控制中的应用

针对航天挠性结构的振动控制 ,介绍了智能结构的提出、概念、诞生原因以及作为智能结构中的传感和驱动元件的各种智能材料的特点 ,着重阐述了梁、板和壳结构的振动控制中应用的压电材料的国内外研究状况和采用的控制策略 ,并对智能结构在主动振动控制应用研究的问题进行了评述 ,如传感器 /驱动器的优化配置问题及准则 ,柔性结构的控制溢出问题及抑制方法。最后针对航天器的结构振动控制 ,展望了今后的研究与发展方向     

Vibration control of a flexible space manipulator during on orbit operations

Space manipulators are complex systems, composed by robotic arms accommodated on an orbiting platform. They can be used to perform a variety of tasks: launch of satellites, retrieval of spacecraft for inspection, maintenance and repair, movement of cargo and so on. All these missions require extreme precision. However, in order to respect the mass at launch requirements, manipulators arms are usually very light and flexible, and their motion involves significant structural vibrations, especially after a grasping maneuver. In order to fulfill the maneuvers of space robotic systems it is hence necessary to properly model the forces acting on the space robot, from the main terms, such as the orbital motion, to the second order perturbations, like the gravity gradient and the orbital perturbations; also flexible excitation of the links and of the joints can be of great importance in the manipulators dynamics. The case is furthermore complicated by the fact that the manipulator, together with its supporting spacecraft, is an unconstrained body. Therefore the motion of any of its parts affects the entire system configuration. The governing equations of the dynamics of such robotic systems are highly nonlinear and fully coupled. The present paper aims at designing and studying active damping strategies and relevant devices that could be used to reduce the structural vibrations of a space manipulator with flexible links during its on orbit operations. In particular an optimized adaptive vibration control via piezoelectric devices is proposed. The number of piezoelectric devices, their placement and operational mode should be correctly chosen in order to obtain maximum performance in terms of elastic oscillations reduction and power consumption. Even though an optimal placement cannot have a universal validity, since it depends on the type of maneuver and on the overall inertial and geometrical characteristics, an approach to solve the problem is proposed.     

挠性智能梁的可镇定性

研究采用共位配置的分布式压电敏感器和致动器的挠性悬臂梁的可镇定性问题，给出两种敏感器和致动器分布函数的表达式，并验证它们满足系统可镇定的条件。证明了在其中之一的一种分布函数下，闭环系统是指数稳定的。     

基于特征模型的挠性悬臂板控制

针对航天器上太阳帆板这种悬臂外伸薄板结构的挠性附件 ,存在环境扰动下所引起的振动 ,本文采用压电智能结构作为执行器对悬臂板进行主动振动控制。基于板系统的特征建模 ,并结合自适应控制对挠性板的主动控制进行了研究。通过仿真研究结果与应变律反馈控制比较 ,表明该方法的有效性     

智能结构的梁有限元模型

本文详细阐述了含压电传感器和执行器的智能结构梁单元模型的建立过程，并以双压电晶片悬臂梁为例，检验了所提模型的精度。     

柔性空间结构高阶有限元模型与主动振动控制研究

应用压电材料实现大型柔性空间结构的振动控制引起了广泛关注。针对上下表面粘贴压电层的复合层梁结构，采用高阶位移场模型，利用线性热压电本构关系和Hamilton原理导出了层梁结构的高阶有限元模型。电势和温度沿厚度方向的分布均采用线性模型。采用常增益速度负反馈控制、Lyapunov反馈控制和基于独立模态的线性二次型调节器（LQR）设计主动控制器，实现了层梁结构脉冲激励和热载荷作用下的振动主动控制。仿真结果表明，LQR方法更能有效的实现结构振动控制，其振动衰减时间较短，作动器峰值电压更低，但不能消除热载荷引起的结构静变形。     

挠性悬臂板的变结构控制研究

针对航天器上太阳帆板这种悬臂外伸薄板结构的挠性附件 ,在存在建模参数不确定及外部扰动条件下所引起的振动 ,本文采用压电致动片作为执行器 ,将变结构控制应用于板的主动振动控制。通过仿真研究结果与应变律反馈控制比较 ,可知变结构控制具有较强的鲁棒性 ,同时控制器结构简单 ,易于实现     

考虑平整性要求的板壳自适应结构静变形控制

基于四节点压电复合材料层合板单元和相应有限分析方法，利用结构位移对电压的灵敏度，对以压电材料为作动器的板壳自适应结构，进行了考虑平整性要求的静力变形控制。根据控制目标和约束限制，由数学规划问题确定结构承载时作动器所需的控制电压，最后以数值算例给出了仿真结果，以验证所提出方法的有效性。     

压电智能结构传感器/作动器位置优化研究

研究压电主动结构振动控制当中传感器／作动器的位置优化问题。从系统的状态空间方程出发，在系统可控性、可观性Grammian矩阵特征值的基础上来描述性能指标，以控制能量最小化和传感能量最大化作为优化目标，利用遗传算法（GE）进行优化计算，计算过程中对传感器／作动器的位置采用二进制编码加以描述。通过对一压电板结构的仿真计算对该方法进行了验证，优化计算结果与枚举法结果完全相符，从而证明了方法的有效性。     

带柔性伸杆小卫星振动控制的半物理仿真实验

在空间探测任务中,为了避免卫星平台剩磁对空间待测信息的干扰影响,需采用轻质的伸杆机构支撑各类探测载荷远离卫星本体,而伸杆的弹性振动不可避免地会耦合作用到卫星本体,从而降低卫星本体的姿态控制精度和稳定度。针对此问题,提出了一种基于伸杆最优指令整形结合本体自适应扰动抑制滤波器的复合振动控制策略,即采用指令整形技术抑制柔性伸杆的弹性振动,同时设计自适应扰动抑制滤波器进一步抵消柔性伸杆残余振动对本体的干扰影响,最后在搭建的半物理仿真实验平台上对控制方法进行了实验验证。结果表明：此方法在有效抑制柔性伸杆残余振动的基础上,通过干扰抵消和抑制的控制策略可显著提高此类航天器的姿态控制精度和稳定度。     

空间机械臂建模方法与控制策略研究

针对刚柔耦合空间机械臂动力学建模中对柔性体采用的传统描述方法（有限元法、模态综合法以及集中参数法等）并不足以精确描述柔性大变形的问题,采用绝对节点坐标法描述柔性体,采用自然坐标法描述刚性体,建立了末端带集中质量的双连杆柔性机械臂的动力学模型并且研究了机械臂的空间定位问题。结合广义α法以及工程上常用的Scaling技术,开发了计算程序,实现了动力学方程的高效精确数值求解。针对机械臂的空间定位以及柔性变形问题,提出了一种运动规划方案,采用PD控制策略,实现了机械臂的运动跟踪控制;仿真结果表明：提出的运动规划方案能有效地减弱机械臂的柔性变形。     

旋转梁的动力学建模及其反馈控制

利用哈密尔顿原理,推导了刚柔耦合形式的旋转欧位－伯努利梁的动力学方程,并在小转速的假设下,给出了线性化近似方程的解析解;讨论了由直流电机和压电陶瓷组成的控制系统,并从动力学稳定的角度出发,利用Lyapunov第一方法设计系统的反馈控制实现了动力学稳定性。最后通过计算机仿真证明控制策略的有效性。