空間大型柔性結(jié)構(gòu)的模型降階、控制設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

原定研究內(nèi)容： 本項(xiàng)目以太陽能帆板、航天器、捆綁式運(yùn)載火箭為對(duì)象，開展柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模型降階與主動(dòng)控制的研究，內(nèi)容包括：（1）內(nèi)平衡降階方法的深入探討，研究內(nèi)平衡模態(tài)空間與物理空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；（2）模型降階的一體化降階技術(shù)，研究一種先局部、后整體的模型降階技術(shù)；（3）基于輸入和輸出的模型降階技術(shù)，研究一種基于輸入和輸出的柔性結(jié)構(gòu)的OKID時(shí)域建模方法，所建低維模型可直接用于主動(dòng)控制設(shè)計(jì)；（4）主動(dòng)控制設(shè)計(jì)，研究基于降階模型的魯棒控制設(shè)計(jì)方法；（5）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)以上理論研究內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 完成情況： 本項(xiàng)目完成了預(yù)定的所有研究內(nèi)容：（1）提出了一種從物理傳感器測(cè)量信號(hào)中提取內(nèi)平衡模態(tài)坐標(biāo)的方法，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；（2）提出了一種柔性結(jié)構(gòu)的一體化模型降階技術(shù)，其中其中局部降階采用模態(tài)綜合法，整體降階采用模態(tài)價(jià)值分析方法或內(nèi)平衡降階方法；（3）對(duì)基于系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據(jù)的系統(tǒng)撓性參數(shù)辨識(shí)和系統(tǒng)低維動(dòng)力學(xué)建模進(jìn)行了深入研究，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；（4）采用魯棒控制等多種控制方法對(duì)基于降階模型的柔性結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控制進(jìn)行了研究，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 本項(xiàng)目研究共發(fā)表科技期刊文章28篇，其中英文文章13篇，SCI檢索源文章11篇，EI檢索源文章18篇；培養(yǎng)研究生7名，其中博士生1名和碩士生6名，并且全部畢業(yè)，而且1人的學(xué)位論文已經(jīng)申報(bào)2013年度上海市優(yōu)秀研究生學(xué)位論文，目前正在評(píng)審中。項(xiàng)目研究期間，參加了14個(gè)國內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議，邀請(qǐng)了4位國外學(xué)者來華學(xué)術(shù)交流（美國加州大學(xué)、密西根大學(xué)、新墨西哥州立大學(xué)各1名，新西蘭奧克蘭大學(xué)1名）；本人個(gè)人入選2013年度上海市領(lǐng)軍人才后備隊(duì)計(jì)劃。 2100433B

本項(xiàng)目以太陽能帆板、航天器、捆綁式運(yùn)載火箭為對(duì)象，開展柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模型降階與主動(dòng)控制的研究，內(nèi)容包括：（1）內(nèi)平衡降階方法的深入探討，研究內(nèi)平衡模態(tài)空間與物理空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為內(nèi)平衡方法的工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)；（2）模型降階的一體化降階技術(shù)，研究一種先局部、后整體的模型降階技術(shù)，其中局部降階采用模態(tài)綜合法，整體降階采用模態(tài)價(jià)值分析方法或內(nèi)平衡降階方法；（3）基于輸入和輸出的模型降階技術(shù)，研究一種基于輸入和輸出的柔性結(jié)構(gòu)的OKID時(shí)域建模方法，所建低維模型可直接用于主動(dòng)控制設(shè)計(jì)；（4）主動(dòng)控制設(shè)計(jì)，研究基于降階模型的魯棒控制設(shè)計(jì)方法；（4）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)以上理論研究內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因?yàn)槿嵝越Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)在航空航天、機(jī)器人等許多高科技領(lǐng)域有著重要的工程應(yīng)用背景，因此本項(xiàng)目的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本課題開展了大型空間結(jié)構(gòu)在軌裝配的雙臂空間機(jī)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(jī)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?dòng)力學(xué)模型，并分析各種構(gòu)型下系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)耦合特性，得出空間機(jī)械臂、載荷及其基座之間剛性運(yùn)動(dòng)、柔性振動(dòng)等關(guān)系；（2）提出了雙臂空間機(jī)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(jī)械臂末端與載荷的接觸碰撞動(dòng)力學(xué)模型，并提出利用雙臂的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)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(dòng)抑制方法；（5）建立了平面氣浮臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和空間半物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)所提出的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；谘芯康某晒?，發(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(hù)的需求，開展大型空間結(jié)構(gòu)在軌裝配的多臂空間機(jī)器人協(xié)調(diào)控制研究，包括：(1)建立柔性多臂空間機(jī)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?dòng)力學(xué)模型，分析各種構(gòu)型下系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)耦合特性，得出空間機(jī)械臂、載荷及其基座之間剛性運(yùn)動(dòng)、柔性振動(dòng)等的耦合關(guān)系；(2) 提出多臂空間機(jī)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(jī)械臂末端與載荷的接觸碰撞動(dòng)力學(xué)模型，并提出利用雙臂的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)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(dòng)抑制方法。. 課題的研究順應(yīng)了我國大力發(fā)展空間機(jī)器人在軌服務(wù)技術(shù)的大方向，研究成果對(duì)于未來大型航天系統(tǒng)在軌組裝、維護(hù)、拆解等任務(wù)，具有重要的理論和實(shí)際意義。

針對(duì)空間鉸接鎖緊柔性帆板和空間柔性臂等柔性多體結(jié)構(gòu)，在空間環(huán)境運(yùn)行的特點(diǎn)：系統(tǒng)模型高階且低階振動(dòng)模態(tài)頻率低，阻尼弱。在調(diào)姿、變軌和溫度變化易引起振動(dòng)和顫振問題，將影響航天器的穩(wěn)定性和指向精度。本項(xiàng)目采用動(dòng)力學(xué)建模、數(shù)值計(jì)算和有限元分析方法等對(duì)空間柔性多體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性分析；研究為低階控制器設(shè)計(jì)的模型降階和低階模型匹配方法；研究智能結(jié)構(gòu)傳感器和驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化配置方法，尤其是異位配置時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)時(shí)延補(bǔ)償算法；研究振動(dòng)和顫振的自適應(yīng)控制方法及策略，進(jìn)行穩(wěn)定性理論分析、數(shù)學(xué)仿真。擬采用智能結(jié)構(gòu)材料PZT、SMA、以及加速度傳感器、視覺傳感器和伺服電機(jī)等建立鉸接鎖緊板和柔性機(jī)械臂兩套柔性多體試驗(yàn)裝置，進(jìn)行振動(dòng)和顫振辨識(shí)、主動(dòng)控制試驗(yàn)研究，驗(yàn)證所探索的理論方法和技術(shù)。本項(xiàng)目采用理論和試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，旨在為柔性多體結(jié)構(gòu)控制工程實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和新的技術(shù)途徑。