航天结构主、被动一体化振动控制技术的研究现状和进展

围绕航天结构振动的被动控制、主动控制、一体化控制和实验研究等几个方面对当前研究的现状和最新进展进行了介绍。将被动控制、主动控制结合，优点互补的体化振动控制技术是当前结构振动控制研究的一个重点。结合工程实际，开发新型振动控制材料及控制元件和装置，发展附加重量代价小、高效、能耗低和可靠性强的一体化振动控制技术，是将来的研究方向。     

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).     

ADVANCES IN DYNAMICS AND VIBRATION CONTROL OF LARGE-SCALE FLEXIBLE SPACECRAFT

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).     

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。     

智能复合材料结构振动控制力学模型

介绍了在航空，航天等高技术在领域中柔性结构振动衰减控制９０年代初期新兴的智能复合材料结构技术及应用发展前景，对一个具有应用背景的双压电片复合材料层合板帆板结构的振动衰减控制系统人出了数学模型，导出了压电传感器／激振器的输出／输入方程，进行了最优控制算法数值仿真，结果表明，其控制效果是显著的。     

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。     

基于非均匀梁模型的二维柔性机翼固有振动分析

变体飞行器通过光滑连续的结构变形改变气动特性, 从而提高飞行器的飞行性能, 具有很大的应用前景. 由于这类新概念飞行器主要通过改变自身结构形状以获得最佳工作性能的需求, 因此具有变形大、质量轻等特点, 较容易发生结构振动响应. 本文研究了一种以柔性变后缘作为变体形式的二维柔性机翼等效建模方法, 基于非均匀梁模型假设, 建立了该柔性翼的动力学模型. 通过利用Frobenius方法得到解析解及固有频率, 并用有限元方法进行对比验证, 发现前4阶固有频率的误差均在1%以内, 每阶固有频率对应的振型一致. 通过3D打印工程塑料ABS和硅胶蒙皮材料制备了柔性机翼结构件, 并通过动态测量法和拉伸试验分别测定了打印材料和硅胶蒙皮材料的杨氏模量, 搭建振动响应实验平台对制备的柔性机翼试验件进行振动试验. 对比发现模型振动试验获得的基频与理论模型结果一致, 并与有限元方法误差在3%以内. 本文通过理论分析和实验验证, 建立了二维柔性机翼等效建模方法, 研究结果将为柔性变后缘结构动力学特性分析及其控制应用方面提供理论支持.      

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．     

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.     

非线性被动隔振的若干进展

工程中航空航天、船舶与海洋结构物及其上装备和精密仪器易受极端环境干扰和破坏,使得非线性隔振理论在近十年来迅猛发展;针对日益严峻的隔振和抗冲击等要求,工程师和科学家们已发展出各种不同的非线性隔振系统,包括主动、半主动、被动和复合隔振.利用非线性改善的被动隔振兼具传统被动隔振的鲁棒性和主动隔振的高效性成为振动控制领域的先进技术.本文主要综述了非线性隔振理论和应用的近十年进展,包括非线性隔振设计、建模、分析、仿真和实验.在隔振系统的构建中,既考虑了刚度非线性又考虑了阻尼非线性;动力学响应的研究中,既有确定性分析又有随机分析.首先提出了适用于非线性隔振系统改进的评价方式;其次综述了高静态低动态刚度隔振及其加强形式非线性阻尼加强和双层非线性隔振,混沌反控制技术、内共振影响、非线性能量阱应用等振动机制利用型隔振和非线性隔振功能材料.最后,对非线性隔振研究发展的热点和关键性问题进行了分析和展望.     

轻质夹层材料的制备和振动声学性能

轻质夹层材料被广泛地用来制备动车组车体和飞机的机身, 其结构设计面临着一系列挑战：即同时要求质量轻、力学强度高、散热性能好、 动力学性能和隔声性能可调等多功能特性. 针对动车组高速运行和飞机飞行过程中经常面临的振动及噪声问题, 以及如何在现有的材料和结构基础上进一步减轻重量并获得更优良的综合性能是材料制备、 固体力学、流体力学、声学、智能材料和结构、优化设计等诸多领域工作者面临的共同挑战. 结合近年来围绕``超轻多孔结构创新构型的多功能化基础研究'国家基础研究计划项目所开展的一系列工作, 综述了有关轻质三明治材料及结构振动和声学特性的国内外研究进展及现状, 以及相应的主被动控制技术; 针对目前存在的问题, 讨论并展望了有关轻质材料和结构动力学性能及隔声性能的研究发展趋势.     

Passive and active vibration isolation under isolator-structure interaction: application to vertical excitations

This work studies the influence of a vibration isolator on the response of a flexible base structure. Two strategies are compared: passive and active vibration isolation (PVI, AVI). Although the multiple advantages of AVI over PVI techniques are well known, their effect in the base structure has not to date been compared. This interaction has an important role in the performance of the general control system, especially when the vibration isolation system is not the only system on the base structure or when there are multiple isolators working simultaneously on it. In addition, the structural serviceability of the base structure can also be affected. The analysis of the vibration isolation problem is made from a wide perspective, including the effect that isolator has on the base structure. Hence assuming the base structure is a non-rigid system. The effect of the isolation system on the base response is studied for an extensive range of base structures, thus showing different possible scenarios. The influence is quantified by comparing the peak magnitude response of the base when both passive and active vibration isolation techniques are used. The theoretical results have been corroborated by undertaking experimental tests on a full-scale laboratory structure.

     

主动约束层阻尼振动控制研究进展

主动约束层阻尼(Active Constrained Layer Damping, ACLD) 是以可控的压电材料代替被动约束层中不可控的约束层,通过可控的 约束层主动地控制黏弹性材料的剪切变形以进一步增大其对振动能 量耗散的主动阻尼形式,它充分结合了主动控制与被动阻尼作用各自 的优势,使得其在结构振动控制方面显示出极好的应用价值.本文首 先解释了ACLD的基本结构和阻尼机理,然后综述了最近几年有关ACLD 在结构建模,控制方案及结构优化等方面的最新研究进展,最后指出 了应用前景并总结了进一步研究的问题.     

微重力下Stewart平台的主动减振系统研究分析

Stewart平台是一种并联减振机构，因其具有承载能力强、刚度大、结构稳定、精度高等优点，广泛应用于航天航空和精密仪器领域。采用Cubic构型Stewart平台并对压电陶瓷的力一位移关系线性化后，可简化成单自由度的线性主动控制系统，对六自由度的Stewart平台分散控制，在随机平稳白噪声的激励下考虑时滞影响，并对其解耦后的Stewart平台进行LQR数值分析，用Adams预测公式进行时滞补偿。分析结果表明：Stewart平台具有较好的减振性能，能有效减小平台在微重力干扰下引起的位移反应；时滞因素会降低LOR的控制作用；可通过Adams预测公式对时滞影响进行较好地补偿。     

EXTRACTION OF GLOBAL MODE FUNCTIONS AND CONSTRUCTION OF STATE SPACE MODEL FOR A COMPOSITE FLEXIBLE STRUCTURE

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.     

机敏柔性梁的振动主动控制

提出了用于机敏结构中振动主动控制的仿人控制算法，对压电阻尼技术进行了理论和实验研究，给出了传感器，执行器和受控结构之间的关系，用ＰＺＴ作执行元件实现了柔性梁振动主动控制系统，给出了实验结果。