大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).      

大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).     

折叠式柔性结构振动主动控制的研究

建立了具有刚性运动基的折叠式柔性结构振动主动控制实验系统，采用带实时预测误差修正的预测控制算法进行了这类结构振动主动控制的实验研究。实验结果表明，在实验建模的基础上设计预测控制器对折叠式柔性结构进行振动主动控制，能够有效地抑制柔性结构的振动和提高刚性基姿态定向精度。     

内模控制及其在机构振动主动控制中的应用

振动主动控制通常采用最优控制,文中根据柔性机构的特点,采用内模控制策略。内模控制主要适合于具有周期性扰动信号的调节问题和具有周期性参考信号的跟踪问题,它的优点是对控对象参数具有鲁棒性,克服了最优控制需要精确掌握被控对象参数的缺点,文中首先介绍了内模控制的基本原理,然后给出了数值仿真结果,最后将算法应用柔性四连杆机构振动主动控制试验中,试验结果证明了方案的可行性。     

非惯性系下柔性悬臂梁的振动主动控制

采用变结构控制方法对非惯性系下柔性悬臂梁的振动主动控制进行研究．重点通过算例揭示一次近似模型与传统的零次近似模型的巨大差异，以及变结构方法在控制非惯性系下柔性悬臂梁的稳态振动的有效性．结果表明，当大范围旋转运动角速度较大时，传统零次近似模型不能对动力系统进行正确的数学描述；变结构控制方法能够使得非惯性系下梁的稳态振动得到完全镇定，且该方法对转动角速度变化具有较好的鲁棒性；采用零次近似模型进行控制设计的控制效果将在某一临界角速度条件下出现失效，该临界角速度值大于静止悬臂梁的基频．     

柔性结构模糊主动振动控制实验研究

在仿真工作的基础上,运用基于PD的模糊控制策略对柔性结构振动进行了主动控制的实验研究,实验表明,基于PD的模糊控制策略对瞬态及正弦激励的振动响应均有明显的抑制效果,该方法对难以建模的大型空间柔性结构的主动振动控制具有重要的意义。     

结构基于独立模态空间控制的神经网络控制

在对柔性结构振动的主动控制中，独立模态空间控制是一种适合于柔性结构振动控制的方法，但如果控制器选择不好就会带来观测溢出和控制溢出．神经网络控制则具有较好的泛化作用和鲁棒性，对抑制观测溢出和控制溢出具有较好的效果．本在独立模态空间控制的基础上设计了一种神经网络控制，并对柔性梁及板进行了控制的数值仿真，取得了较好的效果．     

柔性结构作动器／传感器优化配置研究

从有效衰减振动能量的角度出发,在对位配置作动器／传感器的情况下,通过最小化系统总储能积分,对柔性结构振动主动控制中的作动器／传感器位置及反馈增益进行了优化。在优化方法上,作者提出了一种快速收敛的遗传算法,即“适应度缩放” 加引入“有偏外来移民”的遗传算法。实验结果表明了该方法的有效性和控制系统的良好减振效果。     

采用半主动斜拉索控制柔性梁的横向振动

提出采用磁流变阻尼器构成的半主动斜拉索实现柔性梁横向振动的半主动控制,讨论了其可行性、具体控制方案和控制算法。同时给出了在五种不同情况下的控制仿真结果,表明采用磁流变阻尼器实现结构半主动控制能避免“模态截断”而引起的“溢出”问题,具有能耗小、鲁棒性强的特点。     

漂浮基柔性两杆空间机械臂的关节运动鲁棒控制与柔性振动最优控制

讨论了载体位置、姿态均不受控情况下,具有有界干扰及有界未知参数的漂浮基柔性两杆空间机械臂的具有鲁棒性的关节运动控制与柔性振动最优控制算法设计问题。首先选择合理的联体坐标系,利用拉格朗日方程并结合动量守恒原理得到漂浮基柔性两杆空间机械臂系统的动力学方程。通过合理选择联体坐标系与利用奇异摄动理论,实现了两个柔性杆柔性振动之间、关节运动与两柔性杆柔性振动的解耦,得到了柔性两杆空间机械臂的慢变子系统与柔性臂快变子系统。针对两个子系统设计相应的控制规律,即增广鲁棒慢变子系统控制律与柔性臂快变子系统最优控制律,这两个相应的子系统控制规律综合到一起构成飘浮基柔性两杆空间机械臂总的关节运动与臂柔性振动控制的组合控制律。系统的数值仿真证实了方法的有效性。该控制方案不需要直接测量漂浮基的位置、移动速度和移动加速度。     

基于虚拟力概念的柔性臂空间机器人模糊退步自适应控制算法设计

讨论了漂浮基柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动轨迹跟踪控制算法设计及柔性振动主动抑制。采用多体动力学建模方法并结合假设模态法,建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学模型。基于该模型,针对系统惯性参数未知情况,提出了刚性运动基于模糊基函数网络自适应调节的退步控制算法,以完成柔性臂空间机器人载体姿态及机械臂各关节铰的协调运动。然后,为了主动抑制系统柔性振动,运用虚拟力的概念,构造了同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制算法,提出了基于虚拟力概念的模糊退步自适应控制算法;这样不但保证了之前刚性运动控制方案对模型不确定的鲁棒性,而且能主动抑制柔性振动,从而提高了轨迹跟踪性能。理论分析及数值仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

柔性机械臂动力学建模和控制研究

综述了柔性机械臂动力学建模和动力学控制等相关问题,介绍了柔性机械臂动力学建模中的旋转代数法、基于Lagrange方程的方法及基于模型辩识的方法;介绍了柔性机械臂动力学控制中的PD控制、反馈控制、自适应控制、鲁棒控制、预测控制、非线性控制和智能控 制,最后详细介绍了柔性机械臂动力学控制中的混合控制及智能结构;指出在柔性机械臂动力学建模和动力学控制应解决的问题。这对包括柔性机械臂在内的多柔体系统动力学建模与控制问题的研究有一定的促进作用。      

Precise control for vibration of rigid–flexible mechanical arm

In the present paper, based on the nonlinear dynamic equation of spacial flexible mechanical arm with dual-link bar, the method of linear quadratic control is used to eliminate the remain vibration of mechanical arm. In the process of computation, the traditional differential algorithm is replaced by the time integration method. Because of taking the more precise time-intervals in the given time-interval and avoiding a lot of computational difficulties, the method of this paper has the characteristics of high precision and unconditional stable. For a typical structure, the precise control law is obtained and the advantages of the algorithm in this paper are shown.     

空间刚柔性机械臂振动的精细控制

本文在双连杆空间柔性机械臂系统非线性动力学方程的基础上,运用线性二次型（LQ）最优控制方法讨论了机械臂消除残余振动的控制问题。本文重点在于系统计算过程中,放弃了传统的差分类算法,对时变控制系统,引入时程精细积分方法,由于精细积分方法在有限的时间步长内又进行了更精细的划分,同时避免了差分法的许多计算障碍,使得该计算方法具有计算精度高及数值计算无条件稳定等特点。文中针对双连杆空间柔性机械臂系统这一典型结构,给出了其精细控制律,以说明精细积分法的优越性。     

An open-loop control scheme for minimization of residual vibrations of a flexible robot

The aim of this study is to develop a practical control scheme, called the three-step input method, whereby a flexible robot arm is moved from one position to another with a minimum of residual vibration when the arm reaches its defined endpoint. This work is concerned with defining a simple practical method to utilize step inputs to achieve optimum response. The optimum response is achieved by using a self-adjusting input command function that is obtained during real-time processing. The practicality of this control scheme is demonstrated by using an analog computer to simulate a simple flexible robot and conventional servo controller. The experiments focus on point-to-point movement. Also, this method required little computational effort through the intelligent use of conventional servo control technology and the robot's vibration characteristics.     

Joint Stiffness Control of a Two-Link Flexible Arm

In this study, results are presented for the control of impactinduced transient oscillations on a two-link flexible arm by varying thestiffness of an elbow actuator. Case studies were conducted to determinethe effectiveness of the control method as various arm parameters suchas payload, length, elbow angle, and elbow stiffness changed. Theresults of selected cases were then verified experimentally anddemonstrated that the suggested controller was effective, robust, andquite insensitive to parameter variations.     

A method for the identification of dynamic constraint parameters in multi-supported flexible structures

In this paper, a new method for identifying the dynamical parameters of local constraining supports such as mass, stiffness, and damping was developed through combining the measured frequency transfer functions and structural modification techniques. Since measurement noise often leads to erroneous identifications, regularization techniques have been implemented to reduce noise amplification in the inverse problem. The developed technique has been validated by numerical tests on a multi-supported flexible structure, which can be seen as an idealized electricity generator rotor shaft. The results are satisfactory for noise-free data as well as under realistic noise levels. The sensitivity of the identified support features to noise levels is asserted through a parametric study     

柔性机械臂碰撞系统的一种建模方法及精细积分数值模拟

对一单连杆柔性机械臂与外界发生碰撞时的动力学特性进行了研究。在建立动力学模型时，利用有限元思想，用有限个刚性单元和抗扭连接弹簧来模拟机械臂及其柔性性质，得出了较为简单的非线性动力学方程，根据几何关系，建立了系统在发生碰撞时的约束条件。本文在系统的动力学方程中引入对偶变量，并将方程导向Hamilton体系，用精细积分法对系统的动力学特性进行了模拟。     

Dynamic modeling of a revolute-prismatic flexible robot arm fabricated from advanced composite materials

A dynamic model for a two degree-of-freedom planar robot arm is derived in this study. The links of the arm, connected to prismatic and revolute joints, are considered to be flexible. They are assumed to be fabricated from either aluminum or laminated composite materials. The model is derived based on the Timoshenko beam theory in order to account for the rotary inertia and shear deformation. These effects are significant in modeling flexible links connected to prismatic joints. The deflections of the links are approximated by using a shear-deformable beam finite element. Hamilton's principle is implemented to derive the equations describing the combined rigid and flexible motions of the arm. The resulting equations are coupled and highly nonlinear. In view of the large number of equations involved and their geometric nonlinearity (topological and quadratic), the solution of the equations of motion is obtained numerically by using a stiff integrator.The digital simulation studies examine the interaction between the flexible and the rigid body motions of the robot arm, investigate the improvement in the accuracy of the model by considering the flexibility of all rather than some of the links of the arm, assess the significance of the rotary inertia and shear deformation, and illustrate the advantages of using advanced composites in the structural design of robotic manipulators.     

石英挠性加速度计二元调宽数字脉冲控制系统的研制

本文介绍了石英挠性加速度计二元调宽数字脉冲控制系统的研制及其应用。提出了通过提高系统采样频率来抑制石英挠性加速度计摆片摆幅，从而最大限度地减小其疲劳强度的方法。并基于这一思想设计了石英挠性加速度计二元调宽数字脉冲控制模型，对模型进行了模拟仿真，证明该方案是合理可行的。其已成功地应用于各新型导航产品中