基于Krylov子空间法的柔性航天器降阶研究

带大型柔性附件的复杂航天器,其弹性变形通常用有限单元法描述.由于有限元节点坐标数目庞大将会给动力学方程求解和控制策略的实现带来巨大负担,因此对柔性太阳电池阵的动力学模型降阶进行研究.利用单向递推组集推导带太阳电池阵的航天器的刚柔耦合动力学方程,分别采用模态截断法、模态价值分析法和Krylov子空间法对太阳电池阵进行模型降阶,比较不同降阶模型和全有限元模型的动力学仿真结果.仿真结果表明,无论是否考虑大范围运动的影响,采用Krylov方法只需要较低的自由度就可以得到和采用有限元方法完全一致的结果.说明Krylov方法能够有效地降低航天器柔性附件的自由度,提高动力学仿真的效率,便于驱动控制的实现.     

挠性多体卫星星间跟踪天线回扫运动研究

针对耦合影响较严重的天线回扫过程展开研究.首先,将柔性支撑杆等效简化为悬臂梁结构,并基于拉格朗日方程建立多体耦合动力学模型.然后从耦合动力学模型出发,分析天线回扫运动对星体姿态稳定和柔性振动的影响,并根据分析结果引入命令预处理算法,规划天线回扫指令.最后对天线回扫运动进行仿真分析,仿真结果表明命令预处理算法能够有效地减小回扫运动对星体姿态稳定和柔性振动的影响.     

柔性卫星大角度机动的自适应模糊变结构控制

针对柔性卫星大角度机动过程中多种模态的强耦合非线性动力学控制问题,提出了一种自适应模糊变结构姿态控制方法.首先利用拉格朗日方程建立了带柔性附件卫星的动力学模型,然后设计变结构控制器使得系统状态能在有限时间内到达滑模面,并采用自适应模糊系统逼近系统所存在的耦合非线性项.为了削弱变结构控制项所带来的抖动,避免激发柔性附件的高频模态,采用边界层方法来代替开关项,并通过模糊规则表的方法确定边界层的厚度.仿真结果表明,所提出的控制方法既实现了柔性卫星高精度姿态控制,也保证了卫星大角度机动过程中柔性附件弹性模态的有效抑制,系统对各种干扰具有一定的鲁棒性.      

一种爬壁机器人的动力学建模

City-Climber是1台爬壁机器人,为研究该机器人的3D路径规划问题,建立了City-Climber在方形房间内运动的运动学模型和动力学模型,该动力学模型包括3个子模型,机器人在地面、墙壁和天花板的运动分别用1个子模型描述.引入无量纲变量分别对3个子模型进行简化,再用Matlab软件对模型进行仿真,验证了动力学模型的正确性.该模型可用于解决City-Climber在3D环境下的路径规划和避障问题.     

一种爬壁机器人的动力学建模

City-Climber是1台爬壁机器人,为研究该机器人的3D路径规划问题,建立了City-Climber在方形房间内运动的运动学模型和动力学模型,该动力学模型包括3个子模型,机器人在地面、墙壁和天花板的运动分别用1个子模型描述.引入无量纲变量分别对3个子模型进行简化,再用Matlab软件对模型进行仿真,验证了动力学模型的正确性.该模型可用于解决City-Climber在3D环境下的路径规划和避障问题.     

月球着陆器软着陆冲击仿真

为提高分析月球着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应的准确性,提出一种基于瞬态动力学的着陆器有效载荷软着陆冲击响应分析方法.根据着陆器全机结构柔性和月壤柔性对有效载荷着陆冲击响应的影响,参照某型着陆器,于MSC.PATRAN环境中建立着陆器全机柔性体模型及月壤柔性体模型,运用瞬态动力学仿真软件MSC.DYTRAN对着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应特性进行了仿真研究.仿真结果与试验结果具有一定的一致性.研究结果表明:使用该方法分析着陆器软着陆有效载荷的着陆冲击响应是准确有效的,能够比较逼真地模拟月球着陆器实际着陆工况.     

一种柔性铰链连接的柔性板结构振动模态分析

针对一种空间铰接柔性板结构的振动特性进行了分析,采用有限元分析方法给出通过柔性铰链连接的柔性板结构建模思路.利用有限元软件ANSYS对几种不同的铰链扭转刚度条件下铰接柔性板结构进行了模态分析,获得了模型结构的前五阶模态曲面及其模态频率.并比较了不同铰链刚度对铰接柔性板结构的模态振型和模态频率的影响.该分析有助于研究铰接柔性板结构的动力学和控制方案的设计、建模和分析.     

基于静态输出反馈的大型飞机横航向控制综合

由于广泛采用轻质材料,大型飞机的结构柔性使得控制系统和结构动力学之间存在不可避免的耦合现象,控制器设计必须同时考虑结构柔性对系统反馈的贡献,并满足飞行品质、鲁棒性等目标.提出了一种利用刚体飞行动力学模型和包含弹性模态的高阶模型设计满足多种目标的控制器综合方法,首先由刚体模型设计静态输出反馈参数,满足动态响应、飞行品质和抑制阵风扰动等要求,在此基础上利用已获得的静态反馈参数针对高阶模型设计H_∞回路成形控制器,实现对结构模态的抑制,并满足系统的鲁棒性需求.仿真结果表明:设计方法能够充分利用包含弹性模态的大型飞机飞行动力学模型的特点,满足结构模态抑制和鲁棒稳定裕度等多种需求.      

一种基于模态参数实时辨识方法的参数时变航天器控制方法

针对一种因挠性结构转动引起模态参数变化的航天器研究了一种基于模态参数辨识的控制方法。首先以一种刚柔耦合复杂航天器为对象,建立分析航天器的动力学模型。然后,基于该模型,采用一种基于改进递归预测器的子空间辨识(RPBSID)法模态辨识方法估计系统状态量。最后,基于辨识状态量采用无模型控制方法进行控制,通过基于MATLAB软件的仿真实验,验证了方法的有效性。     

柔性隔振结构影响下控制力矩陀螺的动力学建模与仿真#br#

近年来,控制力矩陀螺逐渐广泛应用于航天器姿态控制中.为了减小动量轮的高速旋转引起的振动对星体的影响,需要在控制力矩陀螺于航天器之间安装隔振装置.但是隔振装置的引入对控制力矩陀螺内部机构的动力学特性造成了影响.基于此,本文建立了柔性隔振机构耦合作用下的控制力矩陀螺动力学模型.本文通过欧拉角变换建立了陀螺内部各机构的运动学关系,使用能量方法建立了陀螺内部各结构的动力学特性.并在Matlab中进行了数值仿真与分析.通过仿真发现了隔振结构对陀螺的输出力矩产生了影响,在柔性支撑下的陀螺力矩存在明显波动,且波动范围随动量轮转速的增加而增加.同时,柔性隔振机构的引入还导致了干扰力矩的产生,该干扰力矩对控制力矩陀螺框架电机的控制存在较大影响.     

一类刚—柔耦合系统柔体模态分析的特征

用连续介质力学的方法,对一种典型的刚－柔耦合系统进行了柔体小变形下的模态分析计算。所得结果全面地表现出柔体系统动力学中柔体模态的耦合特征。这些结果可以在柔体系统动力学离散近似方法研究中作为计算精度比对的参考。     

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。     

小卫星非常规动力学分析与控制

针对小卫星研制中出现的一些非常规动力学问题进行研究,并提出解决办法。针对小卫星组件最大冲击谱量级超出常规冲击试验规范谱的分析与验证困难,通过研究提出了能够分析评估组件高量级冲击的方法。针对小卫星随机振动下强度设计方法还存在较大误差,分析了系统模态质量比与模态频率在一定频段的影响规律,认为忽略模态质量耦合会带来误差,提出了考虑模态质量耦合的准静态载荷计算方法。最后,针对小卫星整星开展了减振研究,分析了正弦和随机减振效果,对于对称安装减振系统,提出了减振系统的主频率计算公式。     

六自由度压电隔振平台面向控制的模态分析与动力学建模

六自由度压电隔振平台各通道之间存在的强耦合性以及压电作动器固有的迟滞非线性都对系统动力学建模提出了挑战。为此,基于模态分析技术对六自由度压电隔振平台开展面向控制的非线性动力学建模研究。在充分考虑压电作动器的迟滞非线性后,采用模态坐标变换方法建立了隔振平台Hammerstein非线性动力学模型,包含了输入端的静态迟滞非线性子系统、解耦的模态方程组以及模态正/反变换矩阵。通过实验测量方法辨识得到模态方程中的参数,采用MPI模型辨识得到静态迟滞非线性子系统,并经过逆补偿控制实验验证了迟滞模型的正确性。基于迟滞逆补偿策略辨识得到模态反变换矩阵。最终建立了平台的动力学模型,为后续的控制奠定了良好的基础。      

挠性空间结构振动的独立模态空间最优控制方法

针对大型挠性空间结构的特性,考虑在独立模态空间内进行控制,设计模态滤波器,对从物理空间采集到的模态信息进行预滤波处理;设计模态观测器,从模态加速度中获取模态位移和模态速度;其次,利用独立模态空间理论中各阶模态相互独立解耦的特性,设计了基于最优控制的独立模态空间控制器;在此基础上,考虑外部干扰信号作用下,设计了基于模态滤波器的 次优控制器,构成了一个完整的挠性空间结构闭环主动振动控制系统。对简化的桁架和单翼帆板结构振动控制进行了仿真验证,结果表明：两种控制器均能使振动得到有效抑制,相比传统比例积分微分控制器最大振幅减小约一半,且具有一定的抗干扰能力。     

一种柔性可展桁架结构的主动振动抑制技术

针对柔性可展桁架结构的主动振动抑制问题,提出一种采用作动执行机构的主动振动控制方法。首先基于模态综合方法建立智能柔性可展桁架结构的动力学模型,然后采用动态滑模控制律设计了主动振动控制器,并基于遗传算法对作动执行机构的布局配置进行优化,最后通过数学仿真验证,仿真结果表明了方法的有效性。     

智能太阳翼动力学建模与模态分析

研究柔性航天器的动力学与控制问题时,通常需要利用柔性附件的模态信息。为获取航天器的高精度姿态控制,必须解决柔性附件的振动抑制问题。配置压电传感/作动器是解决太阳翼振动控制的有效手段。针对基板表面粘贴压电传感/作动器的太阳翼,基于一阶剪切变形层板理论,建立了包含机电耦合效应对结构刚度贡献的有限元模型,并在连接机构等效梁单元中引入了轴向载荷。利用假设剪切应变方法解决了一阶剪切变形层板理论的剪切闭锁问题。仿真结果表明:太阳翼的动力学特征随压电传感/作动器配置方式的改变而改变;连接架轴向载荷可以大幅提高太阳翼的侧摆振动频率;给压电作动器施加控制电压可以增加太阳翼的结构阻尼。     

压电结构系统机电耦合的强化与多阶共振抑制

提高压电系统的机电耦合程度可以提高压电分支电路对于结构机械振动的抑制效果.提出了一种可同时提高压电系统多阶模态机电耦合程度、进而实现对系统多阶共振进行控制的方法.首先通过对压电悬臂梁模型的理论研究揭示了将压电片的电极离散、并以不同方式连接可以导致系统的机电耦合程度发生改变的现象.在此基础上导出可刻划此现象的模态机电耦合函数;提出通过对模态机电耦合函数的优化寻求压电片电极的最佳离散方式和最佳连接方式,以获得对应某一模态的最大机电耦合函数值.为了对多阶共振抑制,提出引入选通电路,通过对含有选通电路的模态机电耦合函数的参数优化实现同时提高压电系统多模态机电耦合程度、进而抑制多阶共振的方法.结合数值实例对此方法进行说明.