深空探测柔性太阳帆航天器动力学建模与姿态控制

太阳帆利用太阳辐射压力提供太空航行的必要动力,由于具有理论上的无限速度和无需消耗任何燃料等优势,被认为是完成未来深空探测任务的有效技术途径之一.柔性太阳帆航天器的动力学模型包括多体动力学、刚柔耦合动力学和太阳辐射光压模型,复杂的动力学特性导致其姿态控制设计具有很强的挑战性.针对带有控制杆的柔性太阳帆航天器,本文采用拉格朗日方程和有限元法,给出了面向控制的解析式动力学模型.所推导的刚柔耦合动力学模型,刻画了太阳帆航天器的本质动力学特性,即双框架控制杆的短周期运动,姿态与柔性太阳帆的耦合效应,以及在太阳光压恢复力矩下的姿态静稳定性和长周期运动.基于带控制杆的太阳帆航天器的双时间尺度特性,提出了双回路控制结构,用于实现航天器俯仰轴和偏航轴的姿态控制.将内回路设计为PD控制器,用于实现质心位置的调整.将外回路设计为PID控制器,用于阻尼姿态运动,并实现在平衡太阳光压力矩下的姿态保持.从而将柔性太阳帆航天器的复杂姿态控制问题转化为两个低阶子问题,实现了在不同频带上的控制设计.仿真结果验证了动力学建模和姿态控制设计方法的有效性.     

航天器柔性附件对其驱动机构的干扰研究

带柔性附件的航天器在进行轨道机动或姿态调整等大范围运动时,柔性附件的弹性振动与航天器大范围运动的刚柔耦合作用将会对驱动机构产生一定的干扰.首先利用单向递推组集建模方法建立了带柔性附件的航天器的动力学模型,然后研究了航天器不同工况变轨时由于柔性附件的弹性振动与航天器大范围运动的刚柔耦合作用对驱动机构所产生的干扰,最后结合变轨条件和柔性附件的固有特性,具体地分析了干扰的作用机理.     

大范围运动柔性机械臂斜碰撞动力学分析

对作大范围运动柔性机械臂系统,进行斜碰撞动力学分析.基于柔性多体系统刚柔耦合动力学理论,计入耦合变形项,全面考虑大范围刚体运动与弹性小变形运动的耦合,建立系统连续动力学方程.引入斜碰撞力学模型,将法向和切向碰撞力以广义力的形式加入动力学方程中,对系统进行斜碰撞动力学建模分析.法向碰撞模型选取基于连续接触力法的非线性弹簧阻尼模型,切向碰撞模型选取一种修正Coulomb摩擦模型,对切向摩擦力进行统一描述.给出接触、分离判据,实现不同状态的动力学模型转换与求解.对斜碰撞全局动力学进行了仿真验证,分析了柔性机械臂全局过程的动力学特性变化以及碰撞对大范围运动和小变形运动的作用,并对比了不同碰撞方向对大范围运动、变形、机械能、碰撞力等动力学参数的影响.     

卫星微振动虚拟仿真技术研究及应用

卫星微振动是影响高精度卫星指向精度和成像质量等关键性能的重要因素;文章针对某卫星微振动力学环境展开分析,研究国内外卫星微振动虚拟仿真方法,借鉴IME颤振分析及刚柔耦合动力学建模分析方法,建立一种卫星刚柔耦合多体动力学微振动仿真分析模型,通过微振动地面试验验证了该仿真方法与卫星仿真模型的正确性;借助该模型,预测卫星在轨微振动环境及卫星微振动的影响,得到卫星载荷安装界面微振动量级在0.002g~0.006g之间,为卫星上敏感载荷的研制及其减振方案的设计提供了参考。     

敏捷卫星SGCMG群姿态机动测试用例设计研究

针对SGCMG群敏捷姿态机动这一新技术,研究一种SGCMG群姿态机动测试用例设计方法。在分析SGCMG运动特性的基础上,建立了SGCMG群卫星姿态动力学模型和SGCMG群力矩输出矩阵,由此开展了SGCMG群操纵律研究及奇异性分析;结合SGCMG群卫星姿态动力学模型、运动学模型和PID控制器设计,搭建了敏捷卫星姿态控制闭环仿真系统,采用不考虑奇异规避的广义操纵律进行闭环仿真,通过遍历搜索的仿真运算,寻找分别经历无奇异、显奇异和隐奇异的典型目标姿态角组合,完成了敏捷卫星SGCMG群奇异规避算法的测试用例设计与验证,实现了对SGCMG群敏捷机动能力与系统指标的全面考核,极大提高了测试用例覆盖的全面性和有效性,具有现实的工程意义。     

一类附件有大角度跟踪机动卫星的动力学建模与控制

采用三刚体七自由度模型来研究带两个大角度跟踪机动附件卫星的动力学与控制问题．通过引入一些新的张量定义,在慢速机动假设下,首先运用Newton-Eular方法导出了该系统的矢量动力学方程,将其转化为标量动力学方程,并讨论了两个附件之间的耦合问题、随后设计出卫星姿态,天线跟踪的PID 前馈控制器,并对控制方法进行了讨论．几组算例表明,该方法控制效果良好．     

一种在轨可展开天线的多柔体动力学建模与计算

研究了一种考虑重力梯度的大型空间可展开天线桁架的动力学建模与计算问题.使用绝对节点坐标法和绝对节点坐标参考节点法建立了可展开结构的刚柔耦合动力学模型.利用离散方向导数构建了动力学方程的保能量动量时间积分算法,通过计算获得了含有多个模块的大型空间可展开天线在轨展开以及展开后轨道机动过程轨道-姿态-变形耦合动响应.通过数值计算结果与经典算例结果、商业软件ADAMS计算结果的对比分析验证了提出方法的正确性.     

水下柔性臂动力学建模方法研究

将柔性臂应用到水下环境,探索一种新型的水下作业工具。在空间柔性臂动力学建模方法的基础上,考虑水动力做功以及水动力对柔性臂变形的影响,首先基于Hamilton原理建立中心刚体-水下柔性臂组成的刚柔耦合系统的动力学模型,然后采用假设模态法对动力学模型进行离散化,导出了考虑刚柔耦合作用的水下柔性臂有限维离散化动力学方程。最后给出仿真算例,验证了动力学模型对于研究水下柔性臂末端变形的有效性,能够准确反映水下柔性臂动力学特性,可用于水下柔性臂的主动控制研究。     

一类附件有大角度跟踪机动卫星的动力学建模与控制

本文采用三刚体七自由度模型来研究带两个大角度跟踪机动附件卫星的动力学与控制问题。通过引入一些新的张量定义，在慢速机动假设下，文章首先运用Newton—Eular方法导出了该系统的矢量动力学方程，接下来方便地将其转化为标量动力学方程，并讨论了两个附件之间的耦合问题。随后设计出卫星姿态一天线跟踪的PID 前馈控制器，并对控制方法进行了讨论。文章最后所给出的几组算例表明，控制效果良好。     

高超声速折叠翼展开动力学研究

折叠翼飞行器在飞行过程中通过机翼的展开与折叠,来满足不同飞行任务时的最优飞行性能.在飞行过程中,折叠翼能够顺利展开并安全锁定是折叠翼飞行器顺利完成任务的根本原因之一.因此,针对高超声速折叠翼被动展开过程,研究其精确动力学建模与仿真,优化系统参数与飞行姿态,使得折叠翼展开锁定后的冲击响应满足结构要求.首先,采用绝对节点坐标法建立柔性折叠翼的柔性多体系统动力学模型,采用活塞理论建立气动力模型,从而形成折叠翼的柔-流耦合动力学模型,并采用广义a算法求解.其次,研究被动展开扭杆参数、阻力扭簧参数与飞行姿态等对高超声速折叠翼被动展开动态过程的影响,优化系统参数,有效降低展开锁定后的冲击响应.     

卫星姿态的状态转移控制

本文面向卫星的应用需求,对卫星姿态的运动学和动力学进行了分析与建模.利用反馈线性化,将姿态运动的高阶非线性项包含在姿态控制中,通过局部动态线性化,将动力学系统近似为定常系统.通过幂级数法对系统进行了状态转移过程的求解.采用模型预测的方法获得姿态角和姿态角速度的预期偏差.通过广义逆变换构造关于偏差的最小范数、最小二乘控制器.提出了一种基于状态转移的卫星姿态机动、跟踪与稳定控制的新方法.控制器的参数具有根据系统采样周期和当前状态时变自适应的特点.考虑帆板挠性及多种偏差和噪声影响,仿真验证了方法的可行性和有效性.     

挠性卫星的变结构姿态控制

将输入输出线性化控制与自适应模糊滑模控制相结合,并将其应用于挠性卫星姿态机动控制中.给出了卫星姿态控制器的基本形式.用自适应模糊控制逼近滑模控制中非线性控制分量,并推导了模糊规则参数调整的自适应律.在线调节自适应模糊控制器的参数以克服挠性卫星的不确定性,具有较强的鲁棒性.仿真结果表明该方法实现了较高精度的卫星姿态控制.     

可重构的卫星姿控仿真测试系统设计

对卫星姿控仿真测试系统的设计需求进行分析和整理,设计和实现一种采用CPCI总线、基于分层模块化的可重构的卫星姿控仿真测试系统,该系统完成了在差异较大的2个型号卫星姿控的仿真测试。仿真实验结果表明,该系统具有应用灵活、通用性和扩展性强等特点。     

挠性卫星姿态非线性局部镇定控制

本文针对挠性卫星姿态机动和振动抑制问题,给出一种基于多项式平方和(sum of squares,SOS)的非线性局部镇定控制方法.根据姿态系统结构特征,在此基础上,采用SOS结合S-procedure理论,得出相应的非线性局部可镇定条件.该条件可借助有效凸优化工具进行检验,当优化问题可解时,可构造非线性姿态控制器的解析解.最后,将文中方法应用于某型挠性卫星姿态控制.仿真结果表明,在实现大角度姿态快速机动的同时,有效抑制了挠性附件振动.     

Dynamic Modeling and Simulation of Impact in Tether Net/Gripper systems

The objective of this paper is to study the dynamic modeling andsimulation of a tether-net/gripper system during an impact, while it isbeing deployed or retrieved by a winch on a satellite orbiting aroundearth. We stick to Tether-Net system but the analysis is applicable toTether-Gripper systems too. We assume that the net is deployed from thesatellite in orbit and the motion is restricted to the orbital plane.This net captures a second satellite and tows it. The motion of atether-net system can be broken down into the following phases: (i)Phase 1: Net is shot out from the satellite with the tether completelyslack, (ii) Phase 2: Net comes to a location where the tether is tautwhile the drum on the orbiter is locked, (iii) Phase 3: Drum is unlockedand the net moves with the tether, (iv) Phase 4: Net captures a body.The continua (tether) is modeled using mode functions and coordinates.The theory of impulse and momentum can be used to model Phases 1, 2, and4 of motion of the tether-net system. The dynamics of the motion of thesystem in phase 3 is characterized by differential and algebraicequations (DAEs). Matlab ODE solvers were used to solve these DAEs.     

基于自适应模糊与输入输出线性化的卫星姿态控制

将自适应模糊控制与输入输出线性化控制相结合，构成混合控制器，并将其应用于挠性卫星的姿态机动控制．给出了卫星姿态控制器的基本形式，分析了控制器参数的选取准则．在线调节自适应模糊控制器的参数，以补偿不确定性卫星的姿态跟踪误差．仿真结果表明，该控制算法通过在线学习能有效地克服挠性卫星的不确定性，具有较强的鲁棒性，从而有效地提高了挠性卫星的姿态控制精度．     

三轴稳定卫星姿态控制周期的仿真研究

针对三轴稳定卫星的姿态控制系统,在离散事件仿真器OMNeT 的基础上,建立了以陀螺、星敏感器为敏感器,以反作用飞轮为执行机构的三轴稳定卫星的闭环控制系统.对于卫星姿态控制系统中控制周期的选取作了初步的分析,最后采用双矢量定姿算法和PID控制算法,设定多种控制周期,对该卫星在对地定向模式下的控制精度进行了仿真,仿真结果清楚的显示了控制周期对姿态控制精度的影响.     

Knowledge intensive Petri net framework for concurrent intelligent design of automatic assembly systems

The integration of design and planning of flexible assembly system has been recognized as a tool for achieving efficient assembly in a production environment that demands assembly with a high degree of flexibility. This paper proposes a concurrent intelligent approach and framework for the design of robotic flexible assembly systems. The principle of the proposed approach is based on the knowledge Petri net formalisms, incorporating Petri nets with more general problem-solving strategies in AI using knowledge-based system techniques. The complex assembly systems are modeled and analyzed by adopting a formal representation of the system dynamic behaviors through knowledge Petri net modeling from the specifications and the analysis of those models. A template is first defined for a knowledge Petri net model, and then the models for assembly system individuals are established in the form of instances of the template. The design of assembly systems is implemented through a knowledge Petri net-based function–behavior–structure model. The research results show that the proposed knowledge Petri net approach is applicable for design, simulation, analysis and evaluation, and even layout optimization of the flexible assembly system in an integrated intelligent environment. The integration of assembly design and planning process can help reduce the development time of assembly systems.     

带可控臂的绳系卫星短距释放实验研究

通过绳系卫星轨道面内运动的天-地动力学相似,利用地面物理仿真平台实验研究绳系卫星短距离释放的控制问题.首先建立带控制臂的绳系卫星系统非线性动力学方程,获得天-地动力学相似条件,采用比例-微分反馈控制方法,对受控绳系卫星的姿态运动进行数值仿真.其次,利用地面物理仿真平台实现绳系卫星的天-地动力学相似环境,通过单根刚性臂实现卫星姿态运动和系绳摆动的两自由度运动控制.实验和数值对比结果表明,借助控制臂可以有效的对绳系卫星的释放进行控制.     

带有超大型挠性网状天线航天器姿控系统的参数化多目标设计

本文研究了带有超大型挠性附件的卫星的姿态控制问题.关于挠性航天器振动抑制与姿态控制,绝大多数已有的控制方法都是针对某一单一指标提出的.然而工程上要同时兼顾精度、快速性、平稳性、挠性部件的振动抑制以及各种鲁棒性,因此挠性航天器的姿态控制系统设计实际上是一个典型的多目标设计问题.本文针对具有超大挠性网状天线卫星的俯仰通道姿态系统,提出了一种基于输出反馈的鲁棒极点配置的参数化多目标设计方法.首先给出了系统能控与能观的充分必要条件,然后给出了动态补偿器以及特征向量矩阵的参数化表达,并在此基础上进一步对自由参向量进行了多目标优化,使得控制系统具有:1)配置到期望区域的极点; 2)较低的特征值灵敏度;3)较强的高阶未建模动态抑制能力; 4)尽可能小的控制增益.最后,本文根据卫星工程参数进行了控制器设计与仿真验证,仿真结果表明本文提出的方法可以在动态响应、高阶未建模动态抑制能力、控制量峰值等方面优于传统的PID控制器.