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.      

基于PIV技术的沙棘柔性坝影响下水流表面流速沿程变化特性试验分析

基于PIV技术,在野外试验基地,开展了沙棘植物柔性坝对水流表面流速场影响的野外试验.探索在大型野外水流试验中应用PIV技术的可行性.主要分析与讨论了沙棘植物柔性坝作用下水流表面流速的沿程变化特性,以反映沙棘植物对水流的阻滞效应.结果表明:将PIV技术应用于大型野外水流试验研究中是可行的;与无植物的对比段对比表明,植物对水流具有很强的阻滞消能作用,坝前表面流速最大,水流进入沙棘柔性坝后,表面流速迅速减小,水化雍高;受植物排的影响,沙棘柔性坝水流表面流速变化表现出缓慢的波浪型态或曲折的"之"字变化型态;水流流出沙棘柔性坝后,表面流速沿程开始逐渐恢复,并趋向于坝前对比段表面流速分布.本研究可为山区沟道开展以植物为主体的滞流拦沙水土保持生态工程提供理论依据.     

控制受限柔性航天器姿态机动内闭环成形控制

针对柔性航天器带有执行机构饱和的姿态控制问题,提出了一种将反馈控制与内闭环信号成形相结合的控制方法。将成形器作用于系统内闭环回路中,通过人为引入控制延时达到抑制振动的目的,避免敏感器扰动、执行机构饱和等非线性影响控制器振动抑制效果。全物理实验结果表明,在反作用飞轮存在控制力矩饱和的情况下,该方法不仅使航天器快速地、平稳地完成高精度姿态机动,而且显著地减少了柔性结构的弹性振动,具有算法简单、易于在轨实时计算的优点。
     

一种两自由度飞行机械臂系统的设计与实现

提出了一种基于欧拉-拉格朗日方法的飞行机械臂系统模型,在机械臂缓慢运动的合理假设下,模型不仅能有效描述实际系统,同时模型表达得到了精简。在此基础上进行控制器设计,首先使用输出变换将系统反馈线性化,并将内外环动态分离,基于此分别设计外环滑模控制器和内环比例-积分-微分（PID）控制器。该控制器在仿真实验中能有效抑制机械臂带来的扰动且镇定和轨迹跟踪性能明显优于经典的串级比例-积分-微分控制器。结果表明本文提出的建模和控制方法能够有效补偿机械臂的已建模扰动,并能充分抑制机械臂摆动产生的未建模扰动,且控制器计算复杂度适中,能够满足实际应用需求。     

飞行器大型薄壁件制造的柔性工装技术

我们针对飞机蒙皮数字化精确制造和绿色制造的需求,正在研究开发可替代传统化铣工艺的新一代高质高效绿色制造系统(已申请发明专利)。在新系统上,成形后的蒙皮经过一次装夹即可完成传统化铣工艺中的粗修、铣凹、切边、开孔等工序,消除了多次装夹带来的误差,既提高加工精度又提高生产效率。另一方面,新系统加工时无污染物排放,加工废屑可回收,电能消耗减少,环保节能效果显著,可实现绿色制造。     

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。     

柔性空间机械臂系统的模糊滑模神经网络控制及柔性振动主动抑制

研究了参数不确定漂浮基柔性空间机械臂关节空间的轨迹跟踪及柔性振动主动控制问题.运用虚拟力概念,生成能同时反映柔性振动和刚性运动的虚拟期望轨迹,设计了一种自适应非奇异Terminal滑模控制器来跟踪该虚拟期望轨迹,以实现载体姿态及关节稳定跟踪运动轨迹并对所产生的柔性振动进行主动抑制的控制目标.所设计的控制器结合了Terminal滑模控制快速收敛性,模糊小波神经网络优良的函数逼近特性及鲁棒技术处理逼近误差的优势,利用自适应算法在线自适应调节模糊小波神经网络的所有网络权值和参数,使控制器具有很强的鲁棒性.仿真实验证明了所提控制方案的有效性.      

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。     

改进型负输入成形主动振动控制

针对柔性结构的主动振动控制问题,提出了一种改进型负输入成形方法。该方法设计成形器的脉冲序列包含多个正负依次交替的脉冲,通过所选择的脉冲数目和系统振动频率与阻尼比构成封闭形式解来直接确定成形器。与正输入成形方法相比可以改善系统的上升时间,而与传统的负输入成形方法相比不需要对时间约束条件进行优化。改进型负输入成形器所包含的脉冲个数可以自由选择,具有设计简单、灵活的优点。将其通过柔性机械臂进行仿真验证,结果表明：所提出的方法有效且可以快速实现振动抑制。