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).     

航天重大工程中的力学问题

近年来,我国航天重大工程蓬勃发展,航天工程中新的力学问题不断涌现,开展航天工程力学问题研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用。随着航天器朝着超高速、深空探测、多功能方向的发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣,发射过程中的多场耦合、非线性等问题更加突出。大阵面、大挠性的航天器对在轨结构展开、模态辨识、刚柔耦合控制提出新的要求,而高精度、高分辨率的观测需求,为航天器在轨微振动、热致振动的研究带来了新的课题。同时,这一系列的问题也对航天器的地面试验和仿真分析等提出了更高的要求,在这些领域,各国学者也积累了一定的成果。本文概括介绍了近年来航天重大工程中出现的新的力学问题,从航天器的发射、在轨运行、地面仿真和试验等方面对航天工程中的力学问题进行了综述。内容主要集中在耦合动力学、空气动力学、多体动力学、结构动力学以及试验力学等方面,同时提出了工程中力学方面所面临的问题以及下一步的发展方向。     

航天重大工程中的力学问题

近年来,我国航天重大工程蓬勃发展,航天工程中新的力学问题不断涌现,开展航天工程力学问题研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用.随着航天器朝着超高速、深空探测、多功能方向的发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣,发射过程中的多场耦合、非线性等问题更加突出.大阵面、大挠性的航天器对在轨结构展开、模态辨识、刚柔耦合控制提出新的要求,而高精度、高分辨率的观测需求,为航天器在轨微振动、热致振动的研究带来了新的课题.同时,这一系列的问题也对航天器的地面试验和仿真分析等提出了更高的要求,在这些领域,各国学者也积累了一定的成果.本文概括介绍了近年来航天重大工程中出现的新的力学问题,从航天器的发射、在轨运行、地面仿真和试验等方面对航天工程中的力学问题进行了综述.内容主要集中在耦合动力学、空气动力学、多体动力学、结构动力学以及试验力学等方面,同时提出了工程中力学方面所面临的问题以及下一步的发展方向.     

Mechanical problems in momentous projects of aerospace engineering

近年来, 我国航天重大工程蓬勃发展, 航天工程中新的力学问题不断涌现, 开展航天工程力学问题研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用.随着航天器朝着超高速、深空探测、多功能方向的发展, 其面临的发射和运行环境也更加恶劣, 发射过程中的多场耦合、非线性等问题更加突出. 大阵面、大挠性的航天器对在轨结构展开、模态辨识、刚柔耦合控制提出新的要求, 而高精度、高分辨率的观测需求, 为航天器在轨微振动、热致振动的研究带来了新的课题. 同时, 这一系列的问题也对航天器的地面试验和仿真分析等提出了更高的要求, 在这些领域, 各国学者也积累了一定的成果. 本文概括介绍了近年来航天重大工程中出现的新的力学问题, 从航天器的发射、在轨运行、地面仿真和试验等方面对航天工程中的力学问题进行了综述. 内容主要集中在耦合动力学、空气动力学、多体动力学、结构动力学以及试验力学等方面, 同时提出了工程中力学方面所面临的问题以及下一步的发展方向.     

基于输入成型的挠性航天器自适应姿态控制（英文）

针对快速调姿挠性航天器的姿态控制问题,提出一种基于输入成型的自适应姿态控制方法,解决俯仰、偏航、滚转三通道的控制耦合问题,抑制航天器挠性振动、提高姿态控制精度。首先,建立了考虑弹性振动、执行器故障及惯量不确定性的挠性航天器姿态动力学模型。基于欧拉轴角提出一种姿态机动参考轨迹设计方法,避免了俯仰、偏航、滚转三通道的耦合问题。通过多模输入成型方法对姿态机动参考轨迹进行修正,以抑制航天器弹性振动。采用自适应容错控制方法对修正后的参考轨迹进行跟踪,以实现挠性航天器快速姿态机动任务。数值仿真结果表明,与传统PD姿态控制方法相比,所提出的基于输入成型的挠性航天器自适应姿态控制方法可将残余弹性振动幅值和姿态控制偏差降低两个数量级,验证了该方法的有效性。     

航天器动力学与控制的研究进展与展望

开展航天器动力学与控制的研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用, 其目的在于发展有效的方法促使航天器在各阶段平稳可靠地运行. 航天器技术发展迅速, 其形式日趋多样化, 功能与构造日趋复杂,已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展. 航天器结构表现出多耦合、非线性、极端外界环境, 以及大尺度柔性结构等特征, 由此激发起航天器动力学与控制领域各方向的深入研究. 航天器动力学与控制的研究方法覆盖理论分析、数值仿真, 以及实验模拟等诸多方面, 研究内容十分丰富. 本文概括介绍了近年来航天器动力学与控制研究方面的发展状况, 综述了跨航天器动力学与控制、航天器系统级动力学与振动控制、航天器部件级动力学与振动控制等航天领域中的若干基础问题. 内容主要集中于航天领域中不同应用范围、不同层次结构的航天器动力学模型的建立和动力学响应与振动控制的研究方法及已取得的成果. 最后, 提出了该领域中值得进一步考虑的科学问题及未来的发展方向.      

空间刚性杆-弹簧组合结构轨道、姿态耦合动力学分析

以空间太阳帆塔在轨运行中遇到的强耦合动力学问题为研究背景,建立了空间刚性杆-弹簧组合结构轨道与姿态耦合问题的动力学模型,采用辛(几何)算法研究了其轨道与姿态耦合的动力学行为,研究结果可以从系统的能量保持情况间接得到验证.首先,基于变分原理,通过引入对偶变量将描述空间刚性杆-弹簧组合结构动力学行为的拉格朗日方程导入哈密尔顿体系,建立简化模型的正则控制方程;随后,采用辛龙格库塔方法模拟分析了地球非球摄动对轨道、姿态的影响及系统能量的数值偏差问题.数值模拟结果显示:随着初始姿态角速度增大,轨道半径的扰动增大,轨道与姿态之间的耦合效应加剧;带谐摄动对空间刚性杆-弹簧组合结构模型的轨道、姿态产生的影响比田谐摄动要高出至少两个数量级;同时辛龙格库塔方法能更好地快速模拟地球非球摄动影响下空间刚性杆-弹簧组合结构的动力学行为,并能够长时间保持系统的总能量,有望为超大空间结构实时反馈控制提供实时动力学响应结果.     

IKAROS太阳帆第一阶段展开过程的动力学行为分析

空间结构的在轨展开涉及到复杂的高维强非线性动力学问题,这些动力学问题的建模及仿真技术是航天动力学领域的难题,也是对在轨展开过程施加控制的前提条件。本研究以IKAROS太阳帆在轨第一阶段展开过程为例,基于哈密顿变分原理,建立中心刚体-主动伸长柔性梁耦合动力学模型;采用保结构分析方法,关注动力学系统的局部动力学行为,在恒定转矩驱动和恒定功率驱动两种工况条件下,对IKAROS太阳帆第一阶段展开过程进行仿真;发现两种工况条件下的中心刚体转动角速度演化规律差别显著,恒定转矩做功将导致中心刚体的转动稳定性变差,同时,恒定功率驱动工况下,IKAROS太阳帆第一展开阶段节能效果较好。     

机器人在轨组装结构的耦合动力学与步态优化

机器人在轨移动组装空间结构是建造大型航天器最有潜力的方式之一,但机器人在结构表面作业时两者存在严重的动力学耦合效应,给空间结构的建造带来了新挑战.针对三分支机器人行走在空间柔性结构上形成的耦合动力学问题,提出一种机器人-结构耦合动力学建模与步态优化方法.首先,基于拉格朗日方程和欧拉-伯努利梁模型建立机器人-结构耦合动力学模型,该模型可用于预测机器人在结构表面行走时的耦合动力学响应.然后,基于耦合动力学方程推导出机器人运动与结构振动的关系,以降低结构振动响应为目标开展了机器人行走步态的优化研究.最后,对机器人不同蠕动步态运动方式下的空间结构动力学响应进行了数值仿真,重点分析了机器人以不同步频、不同步长以及不同抬起高度行走移动时对空间结构动力学响应的影响规律.仿真结果表明,空间结构的动力学响应与机器人的运动方式密切相关.因此在设计行走移动组装机器人的运动步态步频时应避免为空间结构固有频率的两倍,同时在保障机器人组装安全稳定的前提下应尽可能减小运动步长和抬起高度.并且通过对机器人运动步态进行优化调整可以有效抑制空间结构的振动.     

纯引力轨道检验质量的相对测量技术

纯引力轨道是物体在太空仅受引力作用的运行轨道, 通过构造纯引 力轨道, 可实现超高精度的空间引力探测, 也可为科学实验提供超稳定卫星 平台. 作为纯引力轨道构造的核心, 检验质量的相对测量不仅提供了部分任 务科学数据, 还为航天器平台的跟踪控制提供输入. 首先, 描述了纯引力轨道 的概念内涵, 总结了它在卫星重力测量、引力波探测等方面的应用情况. 其 次, 综述了不同任务对相对测量的需求, 给出了电容式测量、磁感应测量和 光学测量的原理, 总结了各自的优缺点. 根据检验质量的姿态运动, 将检验质 量质心相对状态解算问题分为3 类, 给出了基于检验质量姿态动力学与表面 建模的典型解算模型和质心速度估计方法. 最后分析了非引力干扰的理论计 算、地面实验验证和在轨实验验证问题.      

Robust attitude control for rapid multi-target tracking in spacecraft formation flying

A robust attitude tracking control scheme for spacecraft formation flying is presented. The leader spacecraft with a rapid mobile antenna and a camera is modeled. While the camera is tracking the ground target, the antenna is tracking the follower spacecraft. By an angular velocity constraint and an angular constraint, two methods are proposed to compute the reference attitude profiles of the camera and antenna, respectively. To simplify the control design problem, this paper first derives the desired inverse system （DIS）, which can convert the attitude tracking problem of 3D space into the regulator problem. Based on DIS and sliding mode control （SMC）, a robust attitude tracking controller is developed in the presence of mass parameter uncertainties and external disturbance. By Lyapunov stability theory, the closed loop system stability can be achieved. The numerical simulations show that the proposed robust control scheme exhibits significant advantages for the multi-target attitude tracking of a two-spacecraft formation.     

在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模

在轨组装是未来超大型空间结构最有发展潜力的构建方式之一, 组装过程中空间结构尺寸逐渐增长、动力学特性也随之改变, 给结构主动控制任务带来了新的挑战. 针对这一问题, 提出一种在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模方法. 首先, 建立不同类别组装模块的基础模型库, 以用于后续直接调用; 然后, 定义模块的邻接关系矩阵以描述在轨组装过程中空间结构的变化, 并根据在轨组装任务特点, 设计了面向分布式控制的智能组件结构形式; 在有限元建模方法的基础上提出"节点自由度加载"方法, 利用模块的基础模型库与邻接关系矩阵, 分别建立智能组件和空间结构整体的动力学模型, 该模型可随组装的进行同步自适应更新; 最后, 以在轨组装桁架结构为例, 给出组装碰撞冲击下动力学建模与分布式主动控制数值仿真. 结果表明, 在轨组装过程中桁架结构整体的动力学特性有明显的变化, 主动控制非常必要; 基于提出的建模方法, 可高效地建立构型多样的在轨组装空间结构动力学模型; 智能组件的动力学模型在组装过程中可进一步根据邻接关系矩阵限定更新范围, 适用于在轨组装过程中的分布式主动控制系统设计.      

带空间机械臂航天器姿态运动规划的数值算法研究

自由漂浮空间机械臂系统在无外力矩作用时,系统的动量矩守恒而成为非完整系统。利用这一特性本文研究了自由漂浮空间机械臂系统的三维姿态运动规划问题。导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型,将系统的非完整运动规划问题转化为非线性系统最优控制问题,在最优控制中利用小波逼近控制输入规律,提出基于遗传算法的最优控制数值算法。通过数值仿真,表明该方法对带空间机械臂航天器系统的非完整姿态运动规划是有效的。     

波动控制的方法和展望

本文综述了近年来关于大型空间结构中波动控制研究的背景、方法和结果，并且就波动控制中的几个关键问题提出了展望．     

大型网架式可展开空间结构的非线性动力学与控制

我国航天工业迫切需要掌握可入轨后展开的大型网架式空间结构技术,以便研制口径十几米、乃至数十米的大型星载天线。该技术的主要科学基础是这类空间结构展开和服役过程的非线性动力学建模、分析和控制。本文综述了与上述科学基础相关的研究进展,提出应重点关注的三个科学问题：一是大型网架式空间结构展开过程的多柔体系统动力学,尤其是如何对微重力环境下索网的接触和缠绕、运动副内碰撞、结构展开与航天器本体间的耦合等导致的非线性动力学进行建模和分析;二是大型网架式空间结构展开锁定后服役的动力学分析,尤其是如何揭示结构柔性、众多运动副间隙、交变热载荷等因素引起的复杂非线性振动机理;三是大型网架式空间结构展开锁定后服役的动力学控制,尤其是如何在欠驱动、低能耗条件下对非线性振动和波动传播提出有效的控制方法。     

An anti-disturbance PD control scheme for attitude control and stabilization of flexible spacecrafts

This paper studies the attitude control problem of spacecrafts with flexible appendages. It is well known that the unwanted vibration modes, model uncertainty and space environmental disturbances may cause degradation of the performance of attitude control systems for a flexible spacecraft. In this paper, the vibration from flexible appendages is modeled as a derivative-bounded disturbance to the attitude control system of the rigid hub. A disturbance-observer-based control (DOBC) is formulated for feedforward compensation of the elastic vibration. The model uncertainty and space environmental disturbances as well as other noises are merged into an “equivalent” disturbance. We design a composite controller with a hierarchical architecture by combining DOBC and PD control, where DOBC is used to reject the vibration effect from the flexible appendages. Numerical simulations are performed to demonstrate that by using the composite hierarchical control law, disturbances can be effectively attenuated and the robust dynamic performances be enhanced.     

Combined control of fast attitude maneuver and stabilization for large complex spacecraft

In remote sensing or laser communication space missions, spacecraft need fast maneuver and fast stabilization in order to accomplish agile imaging and attitude tracking tasks. However, fast attitude maneuvers can easily cause elastic deformations and vibrations in flexible appendages of the spacecraft. This paper focuses on this problem and deals with the combined control of fast attitude maneuver and sta- bilization for large complex spacecraft. The mathematical model of complex spacecraft with flexible appendages and momentum bias actuators on board is presented. Based on the plant model and combined with the feedback controller, modal parameters of the closed-loop system are calculated, and a multiple mode input shaper utilizing the modal information is designed to suppress vibrations. Aiming at reducing vibrations excited by attitude maneuver, a quintic polynomial form rotation path planning is proposed with constraints on the actuators and the angular velocity taken into account. Attitude maneuver simulation results of the control systems with input shaper or path planning in loop are sepa- rately analyzed, and based on the analysis, a combined control strategy is presented with both path planning and input shaper in loop. Simulation results show that the combined control strategy satisfies the complex spacecraft＇s require- ment of fast maneuver and stabilization with the actuators＇ torque limitation satisfied at the same time.