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。      

非线性空间飞行器系统的解耦滑模控制

提出了非线性空间飞行器系统采用滑动模态控制方法,它对强非线性的空间飞行器系统通道间交叉影响进行解耦. 在大的参数变化和外干扰下,解耦空间飞行器具有优良的鲁棒性.它的姿态稳定和机动飞行控制的数字仿真支持了本文结果的有效性.     

基于里兹法的绳系卫星动力学仿真

同时考虑系绳质量、弹性、形变等因素的绳系卫星系统动力学仿真是复杂的非线性偏微分方程求解问题.为便于构造连续型模态函数,采用了基于牛顿定理及广义胡克定律建立的绳系卫星系统动力学模型.基于里兹法将位移函数构造为模态函数与待求系数的线性组合,进而将原本复杂的非线性偏微分方程转化为较常见的非线性常微分方程.仿真算例基于绳系系统从稳定平衡位置及面外角5.自由展开来进行,数值仿真印证了绳系系统的基本动力学特性,同时发现系绳自由展开及摆动过程中有微弱弯曲现象且计算效率不够高.     

模糊树模型对有限样本集的逼近

对含高度非线性的复杂系统的辨识与建模提出了一种二叉线性模糊树方法.证明了对n维空间中任一闭集上的有限样本集或连续函数,总存在模糊树模型以任一精度逼近之.仿真结果表明,与已有的其它方法比较,模糊树模型不仅具有计算量小,精度高,对于输入空间维数不敏感等优点,同时它的逼近误差是单调下降的.模糊树模型在一定程度上模拟了对复杂问题进行分层、分段简化决策的思维过程.仿真结果描述了这种方法的性能.     

基于遗传算法的空间机械臂运动规划的最优控制

讨论了空间机械臂系统运动规划问题.利用系统的非完整特性,将空间机械臂运动规划转化为非线性系统最优控制问题.在最优控制中引入遗传算法,替代传统的牛顿迭代方法,提出基于遗传优化方法的运动规划最优控制数值算法.通过仿真计算,表明该方法的有效性.      

空间机器人柔性臂动力学模糊控制的研究1)

重点研究了空间机器人柔性臂的动力学非线性控制问题.由于柔性臂动力学系统的强非线性和耦合性，使得柔性臂控制系统复杂，控制的实时性和稳定性差，本文针对以往柔性臂控制所存在的问题，综合考虑系统的动态和静态特性，提出了一种带有非线性补偿器及PID控制器的新的柔性臂模糊复合控制方案.然后，根据所推导的一两连杆的空间机器人柔性臂的动力学非线性模型，进行了系统控制的仿真研究.实例仿真的结果表明，该控制方案能有效地抑制柔性臂的弹性振动，具有良好的控制效果.     

空间机器人柔性臂动力学模糊控制的研究

重点研究了在空间机器人柔性臂的动力学非线性控制问题,由于柔性臂动力学系统的强非线性和耦合性,使得柔性臂控制系统复杂,控制的实时性和稳定性差,本文针对以往柔性臂控制所存在的问题,综合考虑系统的动态和静态特性,提出了一种带有非线性补偿器及ＰＩＤ控制器的柔性臂模糊复合控制方案,然后,根据所推导了一两连杆的空间机器人柔性臂的这非线性模型,进行了系统控制的仿真研究,实例仿真的结果表明,该控制方案能有效地抑制     

气球吊篮姿态的自适应控制

本文从理论上分析了吊篮姿态控制系统数学模型中参数的不确定性,并且通过数字仿真和实验验证了这种不确定性对系统控制性能的影响.为保证得到良好的控制特性,在Popov超稳定理论的基础上,引出了气球吊篮姿态的模型参考自适应控制法.本文推出一套具有时变自适应增益的离散自适应算法,并在此基础上进行了大量数字仿真.仿真结果表明,吊篮姿态的模型参考自适应方法可以解决吊篮姿态的经典控制方法难以应付的参数大幅度变化、参数未知和非线性等问题.另外,与其它自适应方法相比,该方法还有自适应速度快、工程上易于实现等优点.      

基于Sigma-Delta调制技术的高精度数字磁通门磁强计仿真

设计了一种基于1 bit Sigma-Delta环路调制技术的高精度数字磁通门磁强计,建立了数字磁强计信号处理仿真模型,并利用Matlab的Simulink仿真工具开展了数字磁通门磁强计模型的仿真分析,对数字磁强计系统的噪声、线性度、响应速度和频率响应进行了仿真计算.利用本文1 bit Sigma-Delta环路调制技...     

折叠式桁架机构展收运动动力学建模和分析

针对一类折叠式桁架结构系统 ,导出了其展收运动动力学模型 ,提供了求解相应的非线性微分———代数方程组的方法。桁架系统展收运动仿真算例表明 ,由于所建立的动力学模型规模较小 ,所提供的求解方法不需迭代 ,因而数字仿真所需的计算时间很少 ,并可避免采用通用的商用动力学仿真软件出现的求解困难     

工程系统健康描述及基于GFRF方法的健康监测

健康管理概念是伴随着工程系统应用而产生的.针对目前复杂系统综合健康管理技术领域缺乏有效的系统健康表示方法的问题,提出了健康向量、健康指数、健康函数、健康态变映射、健康状态映射等一系列描述工程系统健康的基本概念.与传统的部件状态参数描述方法相比,引入健康向量等概念可以全面地描述系统级健康,并且能够有效地刻画系统健康的动态变化本质.分析了Volterra级数系统描述方法和广义频率响应函数分析技术,利用系统健康形式化定义构建系统健康向量,讨论了一类非线性系统基于广义频率响应函数的健康监测技术.以非线性弹簧-阻尼-质量块系统为研究对象,通过仿真计算,给出了系统健康监测数据与系统健康指数的对应关系.仿真实验结果证明了系统健康形式化描述方法的有效性以及基于广义频率响应函数健康监测方法的可行性.      

基于舵面位置反馈的实用非线性控制分配方法

针对飞机在自主起降、大迎角飞行时力矩系数与舵面偏角之间的非线性和耦合性问题,以无尾飞翼飞机(TFWA)为对象,提出了一种实用新型的基于舵面位置反馈的非线性控制分配方法。该方法通过舵面位置反馈,在期望三轴力矩系数中除去前一拍舵面偏角产生的非线性三轴力矩系数,从而将非线性控制分配问题转化为线性控制分配问题来求解。证明了该方法具有一致渐近稳定性,且其稳态误差为0,并分析了该方法的可行性。通过与序列线性规划、序列二次规划和遗传算法等非线性控制分配方法进行数字仿真对比,突显了该方法精度高、解算快的特点;同时对该方法进行了基于伪逆法、不动点迭代方法和相邻面搜索方法的数字仿真,说明了其处理非线性控制分配问题的有效性。以TFWA、F18等为对象,在xPC-DSP半物理仿真平台上验证了该方法具有通用性强、实时性好的优点。      

视轴晃动引起的空间遥感系统成像质量退化计算机仿真研究

视轴(LOS)晃动是引起空间遥感系统成像质量退化的主要因素之一.本文分析了几种典型的LOS晃动效应,对它们的光学传递函数(OTF)解析模型进行了讨论.简要叙述了基于数字图像的计算机数字仿真方法,给出了包含不同参数条件像移和机械振动效应的仿真图像,并参照美国国家图像解译评定等级(NIIRS)对像质损失进行了定量计算.仿真结果表明,计算机仿真对于预测和评定LOS晃动引起的空间遥感系统成像质量退化是一种直观、有效的方法,在系统有效载荷设计阶段有助于合理地控制和选取技术参数.     

VCM-DDV建模与控制仿真

基于AMESim和Simulink的协同仿真环境,对新型音圈电机直接驱动伺服阀(VCM-DDV,Voice Coil Motor-Direct Drive Valve)进行了仿真研究.采用AMESim建立了VCM-DDV的非线性模型及虚拟液压测试系统,采用Simulink建立了数字控制器模型,通过接口组成了协同仿真环境.将VCM-DDV视为线性部分与非线性部分叠加,并将非线性部分视为线性系统状态空间的一个状态,建立了系统的状态空间模型.用全状态观测器得到非线性干扰项,设计了LQR(Linear Quadratic Regulator)全状态反馈和非线性补偿的复合控制方法.仿真结果表明:非线性补偿提高了系统的稳态控制精度,LQR状态反馈可以使系统达到需要的动态性能.     

近似二阶扩展卡尔曼滤波方法研究

 在综合考虑计算量和估计精度的情况下,提出一种新的非线性滤波方法——近似二阶扩展卡尔曼滤波（AS-EKF）方法。该方法基于线性最小方差递推滤波框架,对均值的非线性变换采用二阶近似,其精度高于扩展卡尔曼滤波（EKF）采用的一阶近似。通过计算机仿真表明该滤波方法对非线性系统的滤波精度高于EKF,且计算量明显低于无迹滤波（UKF）,该方法适用于对估计精度和计算量都有所要求的非线性系统滤波器设计。     

直升机机动飞行逆仿真研究

对直升机典型机动飞行做逆仿真数值计算与分析.逆仿真中采用了较为复杂的非线性飞行动力学模型,包括非均匀入流、机身非线性气动力以及包含机身运动耦合的旋翼挥舞运动与作用力模型.提出了与非线性模型相适应的逆仿真算法,并将组合迭代方法用于求解广义非线性代数方程组.对跨越障碍(pop-up)和180°水平转弯(level turn)机动进行机动性描述.以某型直升机为例,对跨越障碍和180°水平转弯两种典型的机动动作进行逆仿真计算与分析.     

现场可修系统的可靠性数据处理

用随机点过程模型来处理航空产品现场可修系统的可靠性数据时，存在系统故障修复次数少，数据不齐全的问题。为此，对符合非时齐泊松过程模型的数据作为“修复如新”处理时，所所应满足的条件及适用范围作了分析，通过数字仿真对精度的计算，在工作应用中，当系统修复次数小于或等于３时，可将“修复如旧”的系统当作“修复如新”的模型处理，但要注意参数ｍ的影响；对残存比率法应用于可修系统数据处理时的可能性进行了讨论。仿真结     

主动雷达导引头多路径效应的数字仿真

对于平整和起伏的地面或海面,分别给出了一种基于多反射点复杂目标的多路径回波的时域复包络波形数字仿真模型.采用随机分形插值算法利用地形实测数据对复杂的起伏地面和海面进行三维地形建模.对不同粗糙度地面上的低空目标的多路径回波进行了仿真计算,并使用主动雷达导引头数字仿真模型进行了多路径干扰环境下对低空目标的跟踪实验.仿真实验表明,多路径效应对雷达跟踪低空目标会产生较大的误差.     

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。     

基于非线性干扰观测器的航天器相对姿轨耦合控制

针对带挠性附件的服务航天器在近距离逼近失控目标航天器时的控制问题,考虑由于推进安装偏差导致的姿轨耦合,通过选用相对位置和相对姿态四元数作为状态向量,建立了服务航天器与失控目标航天器的相对位置和姿态动力学方程。考虑服务航天器的挠性附件影响,挠性振动可以视为位置和姿态控制系统微分有界的干扰。基于反馈线性化方法提出了非线性反馈控制律,设计了非线性干扰观测器,用于补偿可建模干扰,并基于所提非线性反馈控制律和非线性干扰观测器设计了复合控制器,其中非线性干扰观测器用于补偿挠性附件产生的干扰。数字仿真及半物理实物闭环验证表明,利用所设计的复合控制器能够有效补偿干扰,同时在对失控目标航天器跟踪时具有很好的鲁棒性。