带梁式伸展附件航天器动力学分析

带梁式伸展附件航天器动力学分析朱桂东,王本利,邵成勋（哈尔滨工业大学航天工程与力学系,１５０００１）关键词航天器动力学,伸展,柔性附件引言大型柔性可展开航天结构已被广泛地应用,并且向着大型化、轻型化、复杂化方向发展．目前可展开航天结构主要有三种：弹出...     

带柔性附件航天器姿态动力学的一种解析方法

从波动的角度研究以中心刚体带梁式附件为代表的一类柔性航天器的姿态运动与附件振动的相互作用问题；从航天器的姿态动力学方程及梁的波动方程出发，通过精确考虑附件的端点边界条件，导出了附件振动与航天器姿态及外力矩之间的解析关系式，分析了外力矩和姿态运动对附件振动的影响     

挠性航天器系统动力学耦合特性研究

基于单向递推组集方法, 对带柔性附件的航天器进行动力学建模, 研究了航天器姿态耦合系数的计算方法. 单向递推组集建模方法相比传统线性化方法, 其计算结果更精确, 推导过程完全依照刚柔耦合动力学模型, 完整保留了挠性附件弹性振动对系统质心和转动惯量的影响, 未作多余近似假设. 仿真算例表明, 该方法计算系统的耦合系数具有更高精确性, 说明了单向递推组集方法相比传统方法在挠性航天器系统刚柔耦合动力学问题中的优越性.      

柔性航天器姿态机动的时间次优反馈控制

研究了由一个中心刚体带若干柔性附件的航天器姿态反馈控制问题。利用相平面分析的方法给出了一种近似时间最优的反馈开关控制逻辑。仿真结果表明，些控制逻辑能够实现静止一静止的姿态机动，并且对附件振动有抑制作用。     

作大范围运动刚柔混合体的动力学建模与仿真

考虑耦合效应的柔性空间结构耦合动力学研究在航空航天领域具有重要的应用价值.用有限元法对柔性结构进行离散化处理,得到了柔性结构的模态阵.以模态展开方法以及Kane方程为理论基础,建立了作大范围运动刚柔混合体的动力学模型,并通过Matlab软件编写程序进行求解.为了检验该动力学模型及其程序的正确性,将Matlab仿真结果与商用软件仿真结果进行对照,进而验证了该仿真的正确性.本研究解决了中心刚体加柔性附件这一类航天器的动力学仿真问题.      

柔性航天器动力学建模的伪坐标形式Lagrange方程

航天器动力学建模过程中，常采用伪坐标形式Lagrange方程。文章针对多柔体航天器的情况，利用Hamilton原理，导出了柔性航天器动力学建模的伪坐标形式Lagrange方程，并由此建立了由中心体和柔性附件组成的全柔性航天器的动力学方程。     

柔性航天器姿态快速机动的自适应控制方法

 研究带柔性附件航天器的姿态快速机动控制问题。根据带柔性附件的航天器的动力学模型推导并建立其特征模型。基于所建立的特征模型设计一种自适应控制方法,该方法设计简单,控制器参数物理意义明确,便于调试,可同时实现航天器的姿态快速机动控制和弹性附件的振动快速抑制。理论分析和数学仿真表明,该方法对控制器参数及被控对象的不确定性有很强的鲁棒稳定性和鲁棒性能,能取得比工程中常用的比例-微分(PD)控制更快的机动速度和更好的控制性能。     

卫星太阳阵展开的动力学方程

研究了卫星太阳阵展开的动力学问题，将卫星太阳阵的结构视为树形多体系统，利用给出的自由形式树形多刚体系统运动微分方程建立太阳阵系统的动力学方程，应用为该系统动力学方程编制的计算程序，可对太阳阵展开过程中卫星本体姿态的改变量以及太阳帆板在展开过程中的运动参数进行数值计算。     

航天器太阳翼展开锁定分析

研究航天器太阳翼锁定过程的动力学特性。对展开锁定和姿态运动做耦合分析,给出了采用有限段模型划分的耦合动力学方程。针对某一卫星给出了锁定过程中各参量的响应曲线,包括卫星本体姿态以及BAPTA 上所承受的作用力和作用力矩由线。该模型也适用于航天器多体系统的展开锁定分析。     

柔性航天器IPACS建模与动力学分析

利用拟坐标下的拉格朗日方程和动量矩定理,建立了带变速控制力矩陀螺群(VSCMGs,Variable Speed Control Moment Gyroscopes)的柔性航天器的能量/姿态一体化控制系统(IPACS, Integrated Power/Attitude Control System)的动力学模型,该模型适合于姿态控制律设计及VSCMGs操纵律设计.采用动量管理和VSCMGs构型选取相结合的方法,有效地避免了VSCMGs设计时可能出现的奇异问题.分析了采用VSCMGs的柔性航天器IPACS中的动力学耦合问题,并以某大型航天器为例进行了数值仿真.分析和仿真结果显示出,当VSCMGs的力矩轴接近(或陷入)奇异或进行储/放能切换时,VSCMGs都会对柔性附件造成显著影响.      

挠性卫星轨控期间动力学与姿态控制

卫星轨道控制期间,轨道控制推力会激振挠性太阳帆板,从而也影响卫星的姿态。用拉格朗日方程建立了带有大型太阳帆板的卫星动力学模型,分析了卫星质心运动、姿态运动与挠性振动的耦合关系。根据姿态控制推力器的输出特性,设计了轨道控制期间卫星姿态控制方案。通过数学仿真验证了轨道控制推力对挠性帆板与卫星姿态的影响,验证了轨控期间姿态控制方案的有效性。     

带有不确定参数的挠性航天器机动控制

将输入成型技术与闭环反馈控制结合设计,实现航天器机动控制中挠性附件的振动抑制.针对挠性航天器姿态机动过程中,系统惯量、模态矩阵等参数的不确定性对输入成型器抑制挠性附件振动的影响,提出基于最大允许残余振动的输入成型器建模参数的计算方法,并量化分析不确定参数对挠性附件振动的影响,为选择合适的成型器提供定量的理论依据.该方法可降低传统输入成型器设计的保守性,有利于提高控制性能.仿真结果表明,将系统存在的不确定参量考虑在内,系统振动抑制效果要优于不考虑的情况.     

PDE model-based boundary control of a spacecraft with double flexible appendages under prescribed performance

This paper investigates a boundary control scheme of a spacecraft with double flexible appendages under prescribed performance. The flexible spacecraft system comprises a rigid central hub and two flexible appendages regarded as continuum models, so that the motion of the system can be portrayed by using partial differential equations (PDEs). In this paper, only one control torque and two control forces are applied to guarantee the desired attitude angle of the spacecraft and simultaneously suppress the vibration of the two flexible appendages. Moreover, the angle tracking error of the spacecraft can be restricted in a small residual set under a minimum convergence rate by adopting the prescribed performance technique (PPT). The stability of the boundary control is analyzed by employing LaSalle’s invariance principle. Finally, the feasibility of the proposed controller is verified through numerical results.     

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。      

系统噪声对挠性卫星姿态控制稳定性能的影响

敏感器输出的姿态信息和执行部件输出的力矩会因部件的实际物理特性夹杂着不同水平的噪声．噪声会对系统的姿态精度和稳定度产生一定程度的影响．采用布朗运动的微商描述测量随机噪声和力矩随机噪声,分别对卫星为刚体的情况和具有附件的情况进行分析,从而得出噪声对卫星姿态的影响关系．算例表明,存在随机噪声的情况下,挠性附件会降低卫星的姿态指向精度和稳态性能．     

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.      

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。     

变构型空间站的姿态动力学建模与控制

研究了变构型空间站的姿态动力学建模和控制问题.首先采用拟坐标拉格朗日方法建立了带有挠性附件的固定构型空间站的刚/挠耦合数学模型,然后根据空间站构型变化过程的特点,并经过适当的变换,得到了变构型空间站的刚/挠耦合数学模型,最后采用一种新的分散变结构控制算法对空间站的姿态和挠性结构振动进行了一体化控制,仿真表明该方案能够有效地解决变构型空间站的姿态控制问题.