基于修正型罗德里格斯参数的三维刚体摆姿态控制

3D 刚体摆是研究地球静止轨道航天器的一个力学简化模型, 它绕一个固定、无摩擦的支点旋转, 具有3 个转动自由度. 文章给出基于修正型罗德里格斯(Rodrigues) 参数描述的3D 刚体摆的姿态动力学方程, 针对3D 刚体摆姿态和角速度稳定的非线性控制设计问题, 基于无源性控制理论利用能量法设计了3D 刚体摆的系统控制器, 并证明了系统满足无源性. 构造了系统的李雅普诺夫(Lyapunov) 函数, 利用能量法设计出3D 刚体摆的姿态控制律, 并由拉萨尔(LaSalle) 不变集原理证明了该控制律的渐近稳定性. 仿真实验给出了3D 刚体摆在倒立平衡位置的姿态和角速度的渐近稳定性, 仿真实验结果表明基于能量方法的3D 刚体摆姿态控制是有效的.     

基于非线性状态空间辨识的气动弹性模型降阶

高维、非线性气动弹性系统的模型降阶是当前气动弹性力学与控制领域的研究热点之一.然而国内外现有的非线性模型降阶方法仍存在辨识算法复杂、精度有待提高等问题.本研究提出了一种基于非线性状态空间辨识的跨音速气动弹性模型降阶方法. 首先,该方法基于非定常空气动力的单位脉冲响应数据,采用特征系统实现算法对非线性状态空间模型的线性动力学部分进行系统辨识. 其次,引入状态和控制输入的非线性函数, 采用优化算法对非线性函数的系数矩阵进行优化,进而得到考虑非线性效应的空气动力降阶模型.为了验证该降阶模型在预测跨音速气动弹性力学行为的精确性,本文以三维机翼为研究对象,分别从基于非线性降阶模型的气动力辨识、跨声速颤振边界计算和极限环振荡预测三方面进行了算例验证,并与现有的模型降阶方法进行了对比, 进一步说明本文所提出方法的有效性.研究结果表明, 该降阶模型对上述三类问题的计算精度与直接流-固耦合方法相吻合,可用于高效预测飞行器跨声速气动弹性力学行为.      

基于非线性状态空间辨识的气动弹性模型降阶

高维、非线性气动弹性系统的模型降阶是当前气动弹性力学与控制领域的研究热点之一.然而国内外现有的非线性模型降阶方法仍存在辨识算法复杂、精度有待提高等问题.本研究提出了一种基于非线性状态空间辨识的跨音速气动弹性模型降阶方法.首先,该方法基于非定常空气动力的单位脉冲响应数据,采用特征系统实现算法对非线性状态空间模型的线性动力学部分进行系统辨识.其次,引入状态和控制输入的非线性函数,采用优化算法对非线性函数的系数矩阵进行优化,进而得到考虑非线性效应的空气动力降阶模型.为了验证该降阶模型在预测跨音速气动弹性力学行为的精确性,本文以三维机翼为研究对象,分别从基于非线性降阶模型的气动力辨识、跨声速颤振边界计算和极限环振荡预测三方面进行了算例验证,并与现有的模型降阶方法进行了对比,进一步说明本文所提出方法的有效性.研究结果表明,该降阶模型对上述三类问题的计算精度与直接流-固耦合方法相吻合,可用于高效预测飞行器跨声速气动弹性力学行为.     

基于欧拉四元数的3D刚体摆姿态控制的能量方法

3D刚体摆为一个刚体在重力、扰动和控制力或力矩的作用下绕一个固定、无摩擦的支点旋转,具有三个转动自由度的刚体摆模型.针对3D刚体摆姿态稳定的非线性控制设计问题,给出基于欧拉四元数描述的3D刚体摆的姿态运动方程,证明了系统满足无源性条件,构造了系统的Lyapunov函数,利用能量法设计出3D刚体摆的姿态控制律,并由LaSalle不变集原理证明了该控制律的渐近稳定性.仿真实验给出了3D刚体摆在悬垂平衡位置的姿态和角速度的渐近稳定性,仿真实验结果表明基于能量方法的3D刚体摆姿态控制是有效的.     

基于CFD的方形截面导弹纵向虚拟飞行模拟

通过将飞行力学模型及操纵控制舵面的控制律同流体力学方程耦合求解, 能够完成基于CFD方法的虚拟飞行模拟. 通过这种方法实现了方形截面导弹的纵向虚拟飞行模拟. 着重介绍了将飞行力学方程及舵偏控制律耦合到CFD解算器中的方法, 以及用于复杂外形的需要随飞行器及舵偏一起运动的多块结构网格更新方法,研究成果未来可用于非线性条件下飞行器稳定性及控制律的检验. 完成了方形截面导弹纵向虚拟飞行模拟,包括纵向俯仰自由度的迎角保持机动和通过舵面的偏转控制飞行器迎角按照预定的变化量减小; 通过两种典型机动动作的模拟,证明发展的耦合计算方法以及所采用的配平算法可以成功地应用于虚拟飞行模拟中.      

晃荡液舱内水动冲击力的分段仿射模型

针对舱内晃荡液体与舱壁的相互作用,对舱内水动冲击力的等效力学模型进行了研究。基于混合系统理论,建立了强非线性液体晃荡的等效摆分段仿射模型,重点对矩形液舱的简化等效力学模型进行了分析。利用计算流体动力学软件Flow3D对矩形液舱内的强非线性液体晃荡进行了数值仿真。理论分析表明：分段仿射模型更符合刚性碰撞的假定,可以更有效地描述等效摆和舱壁碰撞时的速度跃变。仿真结果的对比表明：受到激励时,等效摆分段仿射模型所产生的力与Flow3D计算的结果比较接近,利用此模型可以恰当地描述强非线性液体晃荡。     

基于微分包含的绳系卫星时间最优释放控制

考虑系绳弹性的影响,建立了绳系卫星系统三维动力学模型,研究了在状态和控制约束下的绳系卫星非线性时间最优控制问题. 为缩减系统变量,控制律设计没有采用通常的状态空间模型,而是基于二阶微分包含,将连续时间最优控制问题离散为大规模动态规化问题,最后通过数值模拟验证了该方法的有效性.      

复合柔性结构全局模态函数提取与状态空间模型构建

随着航空航天等领域中实际工程结构的大型化和柔性化,结构的非线性振动和主动振动控制问题越来越凸显.分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统的非线性动力学模型与状态空间模型.对于由柔性部件、刚体、连接部件构成的复合柔性结构,由于各部件之间的振动耦合效应,单个柔性部件在悬臂、简支和自由等静定边界下的模态与结构的真实模态有较大差异.为此,本文提出复合柔性结构全局模态的解析提取方法,通过全局模态离散得到系统非线性动力学模型,从而构建状态空间模型.该方法采用笛卡尔坐标描述系统的运动,建立系统的运动方程;结合描述柔性部件的偏微分方程、刚体的常微分运动方程、连接界面处力、力矩、位移和转角的匹配条件以及系统的边界条件,利用分离变量法给出统一形式的频率方程,获取系统的固有频率和解析函数表征的全局模态.这里提出的全局模态提取方法不仅便于复合柔性结构固有频率和全局模态的参数化分析,而且为建立复合柔性结构低维非线性动力学模型和状态空间模型提供了有效的途径,对于推进这类结构的非线性动力学分析与主动振动控制研究具有重要意义.      

复合柔性结构全局模态函数提取与状态空间模型构建

随着航空航天等领域中实际工程结构的大型化和柔性化,结构的非线性振动和主动振动控制问题越来越凸显.分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统的非线性动力学模型与状态空间模型.对于由柔性部件、刚体、连接部件构成的复合柔性结构,由于各部件之间的振动耦合效应,单个柔性部件在悬臂、简支和自由等静定边界下的模态与结构的真实模态有较大差异.为此,本文提出复合柔性结构全局模态的解析提取方法,通过全局模态离散得到系统非线性动力学模型,从而构建状态空间模型.该方法采用笛卡尔坐标描述系统的运动,建立系统的运动方程;结合描述柔性部件的偏微分方程、刚体的常微分运动方程、连接界面处力、力矩、位移和转角的匹配条件以及系统的边界条件,利用分离变量法给出统一形式的频率方程,获取系统的固有频率和解析函数表征的全局模态.这里提出的全局模态提取方法不仅便于复合柔性结构固有频率和全局模态的参数化分析,而且为建立复合柔性结构低维非线性动力学模型和状态空间模型提供了有效的途径,对于推进这类结构的非线性动力学分析与主动振动控制研究具有重要意义.     

非线性弹性元件—碟形弹簧,膜片弹簧的力学与数学模型的研究

本文提出了研究碟形弹簧和膜片弹簧的新的力学模型。用梁的大变形理论与一般轴对称壳体Reissnef有限变形理论,建立了符合力学模型和实验资料的新的数学模型——非线性边值问题。应用Green函数方法,将边值问题化为等价的非线性积分方程组,便于理论研究和求解。     

Periodic, quasiperiodic and chaotic behavior of a driven Froude pendulum

An investigation of the dynamic behavior of a driven Froude pendulum is carried out. Numerical solutions of a highly non-linear Froude pendulum are developed by making use of the piecewise-constant procedure. Periodic, quasiperiodic and chaotic motions of the pendulum are distinguished by making use of the criterion of periodicity ratio and are graphically demonstrated for varying system parameters and different initial conditions. Periodic and quasiperiodic routes to chaos are analyzed on the basis of period–quasiperiodic–chaotic diagrams.     

A pair of exactly soluble non-linear oscillators

A pair of anharmonic oscillators which are related to the simple pendulum are treated analytically. Decomposing the potential function of the simple pendulum into two parts, a pair of non-linear oscillators emerge. Potential functions of these non-linear oscillators are rather complicated, but complementary to each other. It is shown that the equations of these non-linear oscillators can be solved exactly using Jacobian elliptic functions. In connection with these pendulum-like oscillators, a pair of non-linear wave equations are considered and simple solutions of these wave equations are also discussed briefly.     

Dynamic response of tower crane induced by the pendulum motion of the payload

Dynamic response of tower cranes coupled with the pendulum motions of the payload is studied in this paper. A simple perturbation scheme and the assumption of small pendulum angle are applied to simplify the governing equation. The tower crane is modeled by the finite element method, while the pendulum motion is represented as rigid-body kinetics. Integrated governing equations for the coupled dynamics problem are derived based on Lagrange’s equations including the dissipation function. Dynamics of a real luffing crane model with the spherical and planar pendulum motions is analyzed using the proposed formulations and computational method. It is found that the dynamic responses of the tower crane are dominated by both the first few natural frequencies of crane structure and the pendulum motion of the payload. The dynamic amplification factors generally increase with the increase of the initial pendulum angle and the changes are just slightly nonlinear for the planar pendulum motion.     

Stability of an equilibrium position of a pendulum with step parameters

A mathematical pendulum affected by parametric disturbance with potential energy being periodic step function is considered. Non-linear equation of the pendulum depends on two parameters characterizing the mean value in time of the parametric disturbance and range of its “ripple”. Values of the parameters can be set arbitrarily. The non-linear problem of stability for two particular solutions of the equation corresponding to a hanging and inverse pendulum is solved.     

The application of inerter in tuned mass absorber

In this paper we investigate the dynamics of tuned mass absorber with additional viscous damper and inerter attached to the pendulum. The devices are used to damp out oscillations of non-linear Duffing oscillator. Analysis of how these devices influence the dynamics of tuned mass absorber and its damping properties is shown. We calculate the detailed bifurcation diagrams and show how by changing the parameters of damper and inerter one can eliminate dangerous dynamic instabilities from the systems. Finally, in the last section we present an optimization of TMA׳s parameters in order to achieve best efficiency in damping of the main body vibrations.     

基于Gauss伪谱法的3D刚体摆姿态最优控制

研究Gauss伪谱法求解3D刚体摆姿态最优控制问题．针对其最优姿态控制问题,既要满足由任意位置运动到平衡位置姿态运动规划问题,又要满足系统含有动力学约束的力学模型问题,提出基于四元数来描述3D刚体摆的数学模型,建立3D刚体摆姿态的动力学和运动学方程,为了解决3D刚体摆在平衡位置处的姿态最优控制问题,设计基于Gauss伪谱算法的最优姿态开环控制器,得到了3D刚体摆的姿态最优控制轨迹,得到满足的可行解,通过仿真实验验证了其开环解在平衡位置的控制姿态最优性．     

A parametrically excited pendulum with irrational nonlinearity

In this paper, we propose a parametrically excited pendulum with irrational nonlinearity which comprises a simple pendulum linked by a linear spring under base excitation. This parametric vibration system exhibits bistable state and discontinuous characteristics due to the geometry configuration. For small oscillations, this system can be described by Mathieu equation coupled with SD (Smooth and Discontinuous) oscillator whose dynamic response is examined analytically by using the averaging method in both smooth and discontinuous case. Numerical simulations are carried out to demonstrate the complicated dynamic behavior of multiple periodic motions and different types of chaotic motions.     

参数激励下非线性受控系统的动力学和稳定性

研究两自由度参数激励系统的非线性动力学与控制问题．利用Lagrange方程建立含反馈控制的参激捅及其驱动机构组成的系统动力学方程，以多尺度方法获得一阶近似控制方程．然后，对系统受一阶摸态参激主共振与一、二阶模态间3：1内共振联合作用下的幅额响应及其稳定性，以及反馈参数对系统稳态行为的影响作了详细分析．结果表明，响应的稳定域位置和大小取决于位移反馈，位移立方反馈改变了系统的非线性程度，速度反馈类似于阻尼，可使系统呈现自激振动特性．     

On infinitesimal stability and instability of pendulum type oscillations

For the pendulum type of oscillations governed by the equation ? + φ(x) = 0, with φ(x) an odd function, it is shown that according to the linearized disturbance equation, stability is predicted if and only if dTd_x = 0. where T is the period and α is the amplitude of the non-linear steady-state oscillations. From this it follows that for a given non-linear function φ(x). infinitesimal stability can at most be predicted only for certain discrete values of α. It is shown analytically that for a simple pendulum, a power-law spring and a cubic hard or soft spring, the oscillations are infinitesimally unstable for all α. It is further shown, however, that particular cases of non-linear restoring forces do exist for which infinitesimal stability is predicted for certain α's, in contrast to the actual Liapunov instability in these cases.     

勒让德伪谱法求解三维刚体摆姿态运动最优控制问题

研究伪谱法求解三维刚体摆姿态运动最优控制问题. 针对三维刚体摆这类含有约束的力学模型,提出了基于勒让德伪谱法的三维刚体摆姿态最优控制方法. 利用插值逼近设计了三维刚体摆姿态运动最优控制算法,得到了三维刚体摆的姿态最优控制轨迹,并结合松弛参数来控制插值点的取值,寻找满足的可行解. 仿真结果表明,基于勒让德伪谱法的最优控制算法使得三维刚体摆能以较小的误差运动到期望的末端姿态,且计算速度快,能够获得精度较高的控制输入量.