帆板驱动影响下的卫星姿态高精度高稳定度控制

受步进电机驱动作用,太阳帆板对日定向时卫星姿态受到影响。本文针对帆板驱动不平稳引起的同卫星姿态耦合干扰,提出了一种卫星姿态稳定和太阳帆板对日定向的复合控制方法。卫星姿态稳定采用自抗扰控制器,以估计补偿由帆板驱动和系统不确定性引起的干扰,并在此基础上,设计了步进电机自适应电流补偿驱动器,以克服帆板驱动机构摩擦力矩和谐波力矩影响。仿真结果表明,该方法能大大提高卫星姿态控制精度和稳定度,同时还改善了帆板对日定向的精度。
     

基于Kriging代理模型的环形网状天线展开过程规划

针对环形网状天线小冲击、低能耗展开的应用需求，提出了一种基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划方法。建立了综合考虑铰链摩擦、索网张力及驱动绳索柔性的环形网状天线展开动力学模型，并针对动力学分析模型的计算耗时问题，基于Kriging模型构建了环形网状天线展开过程动力学分析的代理模型。基于此，提出了环形网状天线展开过程规划的非自适应和自适应两种优化策略，通过合理设计驱动绳索的索长收纳函数实现天线展开角加速度峰值和驱动功率峰值最小化。优化结果表明，与运动学规划方法相比，基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划能够显著降低展开角加速度峰值和驱动功率峰值；与非自适应策略相比，自适应优化策略能够在保证代理模型精度的条件下大幅度提高优化效率。该研究结果可为环形网状天线实现小冲击、低能耗展开提供一定的实际指导作用。     

展开式太阳板的动力学分析

太阳板是将太阳能转换成电能的装置,是行星探测车上重要的组成部分,为探测车的正常行驶和工作提供必要的电力支持.介绍了一种太阳板翻转机构,能有效地跟踪太阳照射角度,达到并保持其转动范围内的任意角度.基于Kirchhoff理论和Hamilton法建立了太阳板驱动展开过程和受力激励的动力学模型,分析了展开和受力振动的动力学特性,得到了太阳板展开过程中扭杆驱动力矩曲线和太阳板的固有频率及振型,并通过ADAMS虚拟仿真和太阳板的振动实验验证了理论分析的正确性;同时分析了太阳板受瞬时冲击的响应特性,得到了其响应曲线.     

采用单轴双太阳帆板空间站的一种姿态定向模式

采用单轴双帆板供电和单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为执行机构的倾斜轨道空间站,当太阳方向与轨道面夹角较大时,帆板的光照条件不易保证,为此本文针对这种类型的空间站设计了一种姿态定向模式以保证帆板的光照条件,并通过在阴影区姿态机动,利用重力梯度力矩对SGCMG进行卸载。仿真结果表明,该姿态定向模式满足太阳帆板的光照条件,重力梯度力矩卸载方法保证了SGCMG中的角动量不超出给定的范围。     

用于卫星展开式平面天线的新型铰链研究

为保证卫星平面天线展开后工作面"无突出物和零板间缝隙",提出一种新型铰链设计。采用该铰链的天线展开后,铰链不会突出在天线上表面,不会对天线波束的发射带来干扰。基于ADAMS软件,建立了装有新型铰链的平面天线展开动力学模型;通过动力学分析和计算,确定了铰链设计的相关参数。根据设计参数和平面天线的安装要求,研制了3套铰链样机,并进行了多次展开试验验证。试验结果表明:装有该新型铰链的天线展开动作平稳,同步性好,联动装置中的绳索在天线展开过程中未出现松弛现象,因此新型铰链满足平面天线的使用要求,具有工程应用价值。     

一种高稳定度帆板驱动系统的T-S模糊复合控制器

为减少帆板驱动机构（SADA）对太阳帆板挠性模态的激励作用,以扰动力矩较小的永磁同步电机(PMSM)作为驱动源,提出一种T-S模糊控制与校正网络相结合的控制方法。利用校正网络增加系统的相位裕度和增益,并通过T-S模糊控制器降低系统的超调和非线性摩擦的影响,从而有效抑制太阳帆板的振动。通过圆判据对带有此控制器的驱动系统进行了稳定性证明,很好地解决了模糊控制系统在摩擦扰动下难以进行频域理论分析的缺陷。仿真结果表明,在非线性摩擦等扰动的影响下,该控制方法能够很好地抑制太阳帆板引起的挠性振动,提高系统的速度精度和稳定度,具有较好的动态性能。     

大型挠性太阳帆板的闭环驱动控制技术研究

针对大型航天器配备大惯量、大挠性太阳帆板的背景需求,为提高帆板跟踪控制精度,并减少帆板角运动耦合到航天器本体的力矩,考虑帆板挠性、齿轮减速器间隙和摩擦力等工程要素,建立了刚挠系统耦合动力学模型,研究了比例积分微分(PID)控制律+挠性抑制滤波+摩擦力矩前馈补偿的综合控制策略。数学仿真结果验证了该控制策略的可行性,实现了大挠性帆板的高精度控制,有一定的工程应用价值。     

双翼箱式航天器太阳光压干扰力矩模型

在设计航天器姿控系统时,需要充分考虑各种光照条件下航天器所受到的太阳光压干扰力矩。本文针对双翼太阳帆板、面板式天线阵、箱式主体构型航天器,采用几何方法,详细讨论了航天器各表面的受晒情况,推导了不同太阳光入射条件下航天器各面所受到的太阳光压力矩数学模型。为验证模型有效性,将其应用于某三轴稳定对地定向卫星姿态动力学仿真中,得到了相应的太阳光压干扰力矩曲线。     

太阳同步轨道卫星的太阳帆板驱动律

研究了斜飞斜装太阳同步轨道卫星太阳帆板驱动律.通过坐标系变换,根据确定的太阳帆板开始驱动时刻及地球阴影区,基于MATLAB＼Simulink＼RTW软件的仿真数值设计法,设计了某斜飞斜装太阳同步轨道卫星的太阳帆板驱动律.结果表明:所设计的卫太阳帆板驱动律可满足工程需要.该法具一定的参考价值.     

基于解耦和动态补偿的卫星控制系统设计

针对带大型挠性单翼太阳帆板和偏置动量的三轴稳定卫星,研究如何消除星内外干扰对姿态控制精度影响的卫星控制系统的设计问题。首先对星内外干扰进行了数值分析,进而阐明了在经典控制方案中干扰力矩对姿态控制精度的影响,指出经典控制在克服干扰力矩对姿态控制精度影响方面存在的不足之处。然后根据卫星的动力学特点,提出并论证了在设定角动量交换系统标称值条件下基于解耦和动态补偿的卫星控制系统的设计方案。最后深入分析了在该方案下太阳帆板挠性模态的稳定性。     

UltraFlex太阳翼有序展开动力学建模与分析

针对刚柔耦合的圆形薄膜UltraFlex太阳翼结构动力学建模与分析困难、微重力下薄膜运动复杂和展开精度要求高的问题,搭建了UltraFlex展开动力学数值分析模型,分析了扭簧和绳索驱动下UltraFlex的有序展开动力学特性。基于绝对坐标方法建立包含柔性附件和柔性薄膜的UltraFlex动力学模型,采用两步检测算法处理薄膜间的复杂接触碰撞问题,利用扭簧逐步释放扭矩的方法驱动结构有序展开,通过控制绳索释放速率的方法完成移动箱板的转动规划和限位跟踪,提高展开位置精度。将该展开驱动策略运用到NASA实际样机尺寸的UltraFlex分析模型中,仿真结果表明该展开策略能够使得UltraFlex结构高精度、有序、稳定地展开;绳索始终处于张紧状态,最大拉力为62.5N;薄膜展开过程复杂,重复出现张紧、回弹的现象,最终趋于稳定。     

航天器可展附件展开动力学建模研究

对卫星本体附带3个太阳帆板的展开,基于柔性多体动力学理论,用有限元法离散化物理模型,由Kane方程建立了柔性多体展开附件可展开动力学的模型。     

充气太阳能帆板展开动力学数值模拟预报

充气太阳能帆板是一种通过气体驱动支撑管展开的新型太阳能帆板。首先简要介绍其研究进展，然后针对充气展开支撑管，提出了分段式充气体积控制模型，基于LS—DYNA模拟了空间环境下Z型折叠充气太阳能帆板在支撑管无约束与有轴向约束控制时的展开过程，分析了支撑管每折叠段的气压变化，上横板的动力学特性以及基板的平面外振动，预报了展开过程中支撑管与基板的接触碰撞，并通过悬吊式展开试验验证了计算结果。结果表明，本文计算能够预报充气太阳能帆板在空间展开的动力学特性。     

极端温度下含隙铰柔性帆板展开位置精度分析

以自主研发的月球车重复可展帆板为研究对象,分析月表极端温度对其展开末端位置可靠性的影响.构建极端温度与帆板材料、铰链结构间的关系函数,基于运动弹性动力学,建立极端温度下可展帆板间隙-柔性耦合动力学模型.以帆板展开末端位置误差为评价指标,将BP神经网络算法与一次二阶矩法相结合,利用应力-强度理论建立帆板展开末端位置可靠性...     

带挠性帆板的太阳同步轨道卫星的姿态动力学模型

本文研究一颗带固定的对称挠性帆板的太阳同步极轨道三轴稳定卫星的姿态动力学问题。首先给出考虑太阳帆板挠性影响时,卫星姿态动力学方程的一般形式。然后,在计入太阳帆板弯曲振动和扭转振动的情况下,导出了经线性化处理后的姿态动力学模型,并给出了所忽略的非线性项的计算公式。最后得到便于分析和设计卫星姿态控制系统的解耦形式的无量纲姿态动力学方程。     

空间站对日定向装置试验台的控制器设计与精度考核

针对太阳电池帆板大挠性、大惯量等特性,导致对对日定向装置施加的大幅值、高频响的变负载力矩难以模拟和模拟精度不足的问题,设计了以电动负载模拟器为核心装置的地面半物理仿真试验台。首先建立了电动负载模拟器（加载单元）模型,采用递推最小二乘法对加载单元各参数进行辨识,并分析各参数对加载单元响应特性的影响。提出一种超前校正与模糊自适应PID相结合的复合控制算法,该方法有效地拓宽了加载单元带宽、改善了力矩跟随性能和抑制了力矩误差。用不同信号对试验台响应速度、加载带宽和加载精度进行分析和考核。实验结果表明：该复合控制算法使加载力矩较好地复现了太阳电池帆板模型的期望输出力矩,为对日定向装置对太阳电池帆板的驱动性能考核实验模拟出较为精确的期望模型的负载（测试）力矩。     

环柱式天线展开过程耦合动力学分析

针对环柱式天线展开过程中斜拉绳索释放运动与桁架展开运动之间耦合动力学分析困难的问题,采用非线性欧拉梁单元对斜拉绳索建模,基于几何精确梁理论对环形桁架建模,提出了环柱式天线多体系统模型,实现了结构展开过程中绳索释放与桁架展开耦合动力学的精准仿真,揭示了绳索柔性等因素对桁架伸展起阻碍作用的机理。仿真结果表明,在环柱式天线展开过程中,减小绳索模量,降低绳索直径,采用单绳索分布设计,有利于提高桁架的展开稳定性。另外,绳索柔性对桁架展开中间阶段影响最为显著。该分析结果为环柱式天线在轨展开动力学预示和优化设计提供了指导作用。     

含多间隙柔性可展帆板动力学建模及仿真

为研究柔性和多级铰链间隙对帆板展开过程动力学特性的影响，以月球车两级往复可展太阳帆板为研究对象，采用修正Coulomb模型表述摩擦力，通过接触碰撞力描述间隙，运用有限元法进行帆板柔性化，进而建立多间隙-柔性耦合的动力学模型。采用变步长伦哥库塔法进行数值求解，模拟帆板展开过程，分析了多间隙和柔性对帆板质心加速度、铰链间隙碰撞力等参数的影响。结果表明，在保证展开机构刚度要求的前提下，帆板柔性可补偿因铰间隙引起的加速度波动，减弱间隙处碰撞的剧烈程度，减小碰撞力幅值，进而改善帆板展开机构的动态特性。研究结果可用于指导月球车两级往复可展太阳帆板等同类型的可展机构动态优化设计。     

考虑根铰间隙的空间框架展开机构动力学分析

利用Kane法多体动力学基本理论并考虑根铰间隙影响因素,建立适用于空间柔性太阳电池阵的多框架展开机构多体系统动力学模型,对框架展开机构的展开方式和展开过程进行仿真分析,获得了机构组成部件在展开过程中的几何位置、速度、加速度等动力学特性,分析了框架展开机构各个关节点运动特性、铰链间隙与外部驱动力的相互作用规律。结果表明：合理控制框架展开机构各运动部件的驱动力矩是保证框架按照确定规律展开的必要条件;根铰间隙对太阳电池阵框架展开机构角加速度影响较为明显,进而影响到展开框架展开过程的稳定性,对转角和角速度几乎没有影响;在进行空间太阳电池阵框架展开机构设计时应严格控制铰链轴间隙,并通过动力学仿真校核间隙对太阳电池阵展开过程的影响;研究结果为空间柔性太阳电池阵多模块框架展开机构设计提供指导。     

二维展开太阳翼地面展开试验装置设计与验证

针对二维展开太阳翼地面展开过程中重力卸载较困难的情况,设计了适用于二维展开太阳翼的地面展开重力卸载装置,建立了某二维太阳翼在此地面展开试验装置上的动力学模型并进行了动力学仿真分析,分析结果表明太阳翼能够正常展开并锁定,除了太阳翼一次和二次锁定前后瞬间,其余展开过程中吊挂绳索张力最大变化量仅为7％,展开后最大变化不超过2％;该试验装置在某太阳翼上的应用结果表明太阳翼展开前后吊挂绳索吊挂力变化不超过1 N.此试验装置可为其他空间二维展开机构的地面展开试验提供参考.