超大柔性空間結(jié)構(gòu)在軌動力學(xué)分析與振動控制結(jié)題摘要

超大柔性空間結(jié)構(gòu)的“超大”和“高柔性”特征給在軌動力學(xué)和控制帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。本項目主要研究了超大柔性空間結(jié)構(gòu)在軌動力學(xué)建模、響應(yīng)特性分析、振動控制和形狀控制問題，包括：（1）在超大柔性空間結(jié)構(gòu)在軌動力學(xué)建模和機理分析方面，充分考慮重力梯度影響建立了千米量級啞鈴模型的Hamilton體系的動力學(xué)模型；采用基于能量等效原理的連續(xù)體等效方法，建立了具有周期桁架結(jié)構(gòu)空間太陽能電站的等效柔性梁模型；指出了重力梯度力矩經(jīng)典近似模型的局限性并修正了近似模型；推導(dǎo)了Mathieu方程形式的模態(tài)振動方程，研究了不同初始姿態(tài)角下彎曲振動的穩(wěn)定性。（2）在超大柔性空間結(jié)構(gòu)在軌動力學(xué)特性分析方面，提出了Runge-Kutta 法和Newmark法同時迭代的高效數(shù)值方法，研究了太陽光壓和熱輻射等空間環(huán)境干擾下的在軌動力學(xué)響應(yīng)特性，揭示了結(jié)構(gòu)振動、姿態(tài)運動和軌道運動的耦合機理。研究發(fā)現(xiàn)，重力梯度力矩對姿態(tài)動力學(xué)影響顯著，重力梯度力矩與結(jié)構(gòu)尺寸的平方成正比。重力梯度使結(jié)構(gòu)振動與姿態(tài)運動產(chǎn)生耦合，結(jié)構(gòu)尺寸達到臨界尺寸時系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。太陽光壓主要影響軌道運動，對姿態(tài)運動和結(jié)構(gòu)振動的影響在短期分析中可以忽略。熱輻射主要影響結(jié)構(gòu)振動，對軌道運動和姿態(tài)運動影響較小。（3）在大型柔性空間結(jié)構(gòu)振動控制方面，發(fā)展了大型柔性空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)辨識方法研究，提出了基于攝影測量技術(shù)的結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)辨識方法，解決了大型柔性空間結(jié)構(gòu)在軌動力學(xué)參數(shù)難以精確獲取的問題，進而提出了大型柔性空間結(jié)構(gòu)的分布式自適應(yīng)模型預(yù)測振動控制方法，并發(fā)展了周期時變控制系統(tǒng)H2范數(shù)和Riccati微分方程的擴展精細(xì)積分算法，提高了魯棒控制問題的求解精度和效率。（4）本項目還開展了大型空間智能結(jié)構(gòu)高精度形狀主動控制研究，提出了基于影響系數(shù)矩陣法的閉環(huán)反饋形面主動控制方法，搭建了格柵反射器形面主動控制實驗驗證系統(tǒng)，驗證了形面主動控制方法的精度和有效性。 2100433B

空間太陽能電站是解決未來能源、環(huán)境和空間安全問題的重要途徑，其千米量級尺寸的“超大”和“高柔性”特征給在軌動力學(xué)和控制帶來了新問題、新特性和新挑戰(zhàn)。本項目以此為背景開展超大柔性空間結(jié)構(gòu)在軌動力學(xué)建模、計算、響應(yīng)特性分析和振動控制研究。首先充分考慮重力梯度、太陽光壓和熱輻射等環(huán)境干擾、軌道偏心率和結(jié)構(gòu)大變形的影響，基于Lagrange變分原理分層次地建立起體現(xiàn)力學(xué)結(jié)構(gòu)基本特征的“柱、梁、板、殼”等超大柔性空間結(jié)構(gòu)的在軌動力學(xué)模型；然后基于變分積分法構(gòu)造高精度保辛數(shù)值算法，研究超大柔性空間結(jié)構(gòu)在軌動力學(xué)響應(yīng)新特性以及結(jié)構(gòu)振動、姿態(tài)運動和軌道運動的耦合機理；最后根據(jù)響應(yīng)特性和結(jié)構(gòu)特點發(fā)展時變參數(shù)的在線估計方法，設(shè)計超大柔性空間結(jié)構(gòu)振動的自適應(yīng)魯棒H∞控制系統(tǒng)。本項目的實施將為超大柔性空間結(jié)構(gòu)在軌動力學(xué)和控制建立新模型、發(fā)展新方法、揭示新特性，為我國空間太陽能電站技術(shù)提供必要的技術(shù)儲備和支撐。

本課題面向我國空間站以及未來其他大型航天器系統(tǒng)在軌建造與維護的需求，開展大型空間結(jié)構(gòu)在軌裝配的多臂空間機器人協(xié)調(diào)控制研究，包括：(1)建立柔性多臂空間機器人裝配大型柔性結(jié)構(gòu)過程中的變構(gòu)型剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，分析各種構(gòu)型下系統(tǒng)的動力學(xué)耦合特性，得出空間機械臂、載荷及其基座之間剛性運動、柔性振動等的耦合關(guān)系；(2) 提出多臂空間機器人在軌操作大載荷過程中，保持基座穩(wěn)定的無奇異路徑規(guī)劃與控制方法；(3) 建立多臂傳遞大型撓性載荷過程中，機械臂末端與載荷的接觸碰撞動力學(xué)模型，并提出利用雙臂的協(xié)調(diào)運動最小化碰撞效應(yīng)的路徑規(guī)劃與控制方法；(4) 提出雙臂抓持撓性載荷形成閉鏈后雙臂協(xié)調(diào)操作的軌跡規(guī)劃與振動抑制方法。. 課題的研究順應(yīng)了我國大力發(fā)展空間機器人在軌服務(wù)技術(shù)的大方向，研究成果對于未來大型航天系統(tǒng)在軌組裝、維護、拆解等任務(wù)，具有重要的理論和實際意義。

本課題開展了大型空間結(jié)構(gòu)在軌裝配的雙臂空間機器人協(xié)調(diào)控制研究，取得了如下研究成果：（1）建立了柔性雙臂空間機器人裝配大型柔性結(jié)構(gòu)過程中的變構(gòu)型剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，并分析各種構(gòu)型下系統(tǒng)的動力學(xué)耦合特性，得出空間機械臂、載荷及其基座之間剛性運動、柔性振動等關(guān)系；（2）提出了雙臂空間機器人在軌操作大載荷過程中保持基座穩(wěn)定的無奇異路徑規(guī)劃與控制方法；（3）建立了雙臂傳遞大型撓性載荷過程中，機械臂末端與載荷的接觸碰撞動力學(xué)模型，并提出利用雙臂的協(xié)調(diào)運動最小化碰撞效應(yīng)的路徑規(guī)劃與控制方法；（4）提出了雙臂抓持撓性載荷形成閉鏈后雙臂協(xié)調(diào)操作的軌跡規(guī)劃與振動抑制方法；（5）建立了平面氣浮臺實驗系統(tǒng)和空間半物理實驗系統(tǒng)，對所提出的方法進行了實驗驗證?；谘芯康某晒l(fā)表了學(xué)術(shù)論文34篇，其中SCI論文26篇、EI論文8篇；出版了學(xué)術(shù)專著1部；培養(yǎng)了博士后2名、博士研究生3名、碩士研究生3名。 2100433B

本項目以大型電子偵察衛(wèi)星和通信衛(wèi)星的索網(wǎng)式結(jié)構(gòu)天線為研究對象，研究在軌環(huán)境下索網(wǎng)式空間結(jié)構(gòu)變形控制的分布式主動控制理論和方法，并完成控制方法的實驗驗證。為新一代大型索網(wǎng)式星載天線結(jié)構(gòu)設(shè)計和反射面變形的精準(zhǔn)可靠控制提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。具體研究內(nèi)容包括：建立面向分布式控制的索網(wǎng)式空間結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型；基于最優(yōu)控制理論發(fā)展結(jié)構(gòu)變形前饋控制方法；研究結(jié)構(gòu)變形控制的分布式H2/H∞反饋控制方法；設(shè)計和搭建結(jié)構(gòu)變形主動控制實驗系統(tǒng)，并完成索網(wǎng)式結(jié)構(gòu)變形分布式主動控制方法實驗驗證。