振动主动控制当前的主要研究课题

近１０年来对振动主动控制的研究集中在挠性航天结构主动控制减振、巨型土木工程结构主动控制减振和车辆半主动控制隔扼等几个重要领域,本文简略回顾了这些领域主动控制减振的发展过程,着重介绍了近期的研究情况和当前的主要研究课题．      

超大型航天结构动力学与控制的保辛方法

超大型航天器是空间资源探索和利用的重要空间基础设施,也是实现航天强国目标的重大战略性航天装备。由于这类结构的质量和尺寸巨大,将带来在轨运行中的姿-轨-结构耦合和在轨姿态控制问题。同时,结构的超大尺度、构型变化与空间环境相互作用将产生极复杂的结构振动和大型结构特有的波动现象。这些为其动力学建模与数值求解、在轨精确姿态控制、低频结构振动抑制和振动波动耦合的特性调控等提出了新的挑战。本文介绍了本团队近十年基于保辛方法针对上述问题取得的研究进展,包括超大型航天结构在轨耦合动力学与姿态控制、超大型航天结构波动力学行为与控制、可展开结构设计以及变刚度主动控制方法等。     

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.     

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.      

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).     

智能桁架结构最速自抗扰振动控制研究

研究新型实用的非线性自抗扰控制技术,在大型空间智能桁架结构主动振动控制中的应用.自抗扰控制技术的主要特性是采用扩张状态观测器对系统建模、未建模动态和外扰进行实时估计,并在控制信号中补偿掉,实现非线性不确定对象的动态补偿线性化.首先,基于动态补偿线性化的思想,对多变量耦合的非线性智能桁架结构的数学模型进行解耦;然后,采用扩张状态观测器和离散最速控制综合函数提出了一种新颖的最速自抗扰振动控制器.最后,对空间102杆压电智能桁架结构进行了最速自抗扰振动控制仿真研究.结果表明:本文提出的最速自抗扰振动控制器较好地解决了振动控制的准确性和快速性之间的矛盾,可有效地用于大型空间智能桁架结构的主动振动控制.     

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.     

六面体柔性桁架多体结构的模态测试实验研究

采用半正弦冲击波形，通过内力激振的方法对六面体空间柔性格架结构进行了模态实验研究，得到了系统的前四阶固有频率和模态振型。比较实验结果与理论计算结果，二者能够很好的吻合，验证了理论计算方法的正确性。实验结果表明采用内力激振的方法能够有效的激起结构的固有频率，所得的振动参数可为下一步空间柔性格架振动主动控制提供直接依据。     

Dynamics and control of variable geometry truss manipulator

Variable geometry truss manipulator(VGTM) has potential to work in the future space applications, of which a dynamic model is important to dynamic analysis and control of the system. In this paper, an approach is presented to model the dynamic equations of a VGTM by independent variables, which consists of two double-octahedral truss units and a 3-revolute-prismatic-spherical(3-RPS) parallel manipulator. In this approach, the kinematic recursive relations of two adjacent bodies and geometric constrains are used to deduce the kinematic equations of the VGTM, and Jourdain's velocity variation principle is adopted to establish the dynamic equations of the system. The validity of the proposed dynamic model is verified by comparison of numerical simulations with the software ADAMS. Besides, an active controller for trajectory tracking of the system is designed by the computed torque method. The effectiveness of the controller is numerically proved.     

密频模态滤波器的实现及其在智能结构中的应用

针对空间智能桁架密频结构,提出了一种适应性较好的模态滤波器的实现方法,基于模态滤波器和分时共享充分利用作动器的思想,采用独立模态空间控制方法,实现了空间智能桁架结构的振动主动控制。仿真结构表明了这种控制策略的有效性。     

Geometric and Material Nonlinear Static and Dynamic Analysis of Space Truss Structures

A formulation of the nonlinear FEM truss element that takes into account both the geometric nonlinearity and material nonlinearity of the structure is derived. The associated iterative algorithm for the application is described. Based on two inelastic material models (isotropic hardening and dynamic hardening), three space truss structures are subjected to static and to dynamic loads in order to illustrate the application of nonlinear FEM. The nonlinear FEM described can accurately trace the complex structural behavior of space truss structures, including snap-through, and buckling. The FEM results match well with the theoretical results.     

基于复模态的控制力矩陀螺配置优化

由于陀螺耦合效应,系统动力学方程的特征值和特征向量皆为复数形式,不便于进行控制力矩陀螺的配置优化和控制律设计。本文基于复模态理论,构造出一种实数域上的伪模态矩阵,从而实现方程解耦。综合考虑结构模态、控制输入能量和传感器接收能量的复合优化准则,获得了控制力矩陀螺的最优配置。结果表明,采用线性二次型最优控制,能够快速将结构的响应振幅降至5%以内,验证了使用伪模态矩阵进行方程解耦的可行性及控制的有效性。     

空间展开折叠桁架结构动力学分析研究

本文以笛卡尔坐标系下节点自然坐标为未知量,建立了桁架结构系的基本运动力学方程,并首次推导出桁架结构中常用节点附加几何约束方程,相应约束Jacobi矩阵及其导数矩阵,采用奇异值分解法求约束Jacobi矩阵的零空间基和M-P广义逆,并由矩阵缩减法建立了带约束桁架体系的运动力学方程和求解方法。数值算例表明该方法适于可展折叠桁架结构运动力学分析。     

随机压电智能桁架结构闭环控制概率动力响应分析

针对随机压电智能桁架结构研究了基于概率的结构闭环控制系统动力响应分析模型与方法．考虑结构的物理参数、几何尺寸、外荷载幅值以及闭环系统控制力同时具有随机性时，利用振型迭加法导出了结构动力响应随机变量的数字特征计算表达式．通过算例考察了智能结构物理参数、几何尺寸、外荷载幅值以及控制力的随机性对结构闭环控制系统动力响应的影响，并获得了若干有意义的结论．