【摘要】：隨著空間任務(wù)的復(fù)雜程度不斷提升,航天器的結(jié)構(gòu)逐漸向大尺寸、大撓性的方向發(fā)展。一些大撓性附件如天線、太陽能帆板等被安裝在航天器的中心剛體上。隨著中心剛體尺寸逐漸變小,航天器結(jié)構(gòu)變成大撓性結(jié)構(gòu),典型代表如太陽帆、太陽能電站等。整體結(jié)構(gòu)都具有撓性的航天器,其形狀多為矩形或圓形,這類撓性航天結(jié)構(gòu)在空間運行時,姿態(tài)運動與結(jié)構(gòu)振動將會產(chǎn)生嚴重的耦合現(xiàn)象。分析撓性航天結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)特性時,首先要對撓性結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析,而后以模態(tài)坐標方程為基礎(chǔ)設(shè)計控制器,實現(xiàn)撓性航天結(jié)構(gòu)的姿態(tài)穩(wěn)定和振動抑制。在此過程中,保證未建模的高階模態(tài)的穩(wěn)定,避免出現(xiàn)“模態(tài)溢出”現(xiàn)象,是控制器設(shè)計的重要考慮因素。此外,一些撓性航天結(jié)構(gòu)如圓形太陽帆,改變結(jié)構(gòu)形狀將會實現(xiàn)不同的功能。因此,在空間運行過程中,撓性航天結(jié)構(gòu)的主動形狀控制也成為需要研究的問題。本文以撓性航天結(jié)構(gòu)的動力學(xué)與控制為研究重點,從調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)能量的角度出發(fā),以無源性(passivity)理論為基礎(chǔ)設(shè)計控制器,充分考慮高階模態(tài)的影響,實現(xiàn)了撓性航天結(jié)構(gòu)的姿態(tài)穩(wěn)定與振動抑制,并設(shè)計了撓性航天結(jié)構(gòu)的主動形狀控制方法,為進一步研究撓性航天結(jié)構(gòu)動力學(xué)與控制提供參考。具體研究內(nèi)容如下:針對撓性航天結(jié)構(gòu),基于無源性原理,設(shè)計了增益調(diào)節(jié)嚴格正實控制器,通過對閉環(huán)系統(tǒng)能量的調(diào)節(jié),實現(xiàn)對撓性結(jié)構(gòu)的姿態(tài)穩(wěn)定及振動抑制。在矩形撓性結(jié)構(gòu)中心共位布置敏感器和執(zhí)行機構(gòu),使撓性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)輸入輸出系統(tǒng)保有無源性,針對推力器和飛輪分別設(shè)計了增益調(diào)節(jié)信號,還特別考慮了飛輪的輸出飽和問題,通過仿真分析驗證了控制器的有效性。在圓形撓性結(jié)構(gòu)上分散安裝多組共位布置的敏感器和執(zhí)行機構(gòu),提出了一種基于系統(tǒng)輸出的增益調(diào)節(jié)信號,使被控系統(tǒng)的輸入輸出由高維向量簡化為標量,與之反饋互聯(lián)的嚴格正實控制器相應(yīng)地簡化為標量控制器,降低了控制器的運算量,實現(xiàn)了圓形撓性結(jié)構(gòu)的姿態(tài)穩(wěn)定和振動抑制;仿真分析首先對比了有增益調(diào)節(jié)控制器和無增益調(diào)節(jié)控制器的系統(tǒng)響應(yīng),而后利用優(yōu)化理論,獲得了最優(yōu)增益調(diào)節(jié)信號。這種增益調(diào)節(jié)嚴格正實控制方法還被推廣應(yīng)用到剛體航天器姿態(tài)控制問題中,提出了一種帶有非線性修飾項的嚴格正實控制器,解決了系統(tǒng)輸入被量化帶來的輸入非線性問題,控制器對系統(tǒng)的建模誤差具有魯棒性,數(shù)學(xué)仿真給出了在增益調(diào)節(jié)嚴格正實控制器作用下航天器的姿態(tài)響應(yīng)。在實際情況中,敏感器和執(zhí)行機構(gòu)的共位布置很難實現(xiàn),因而產(chǎn)生了二者的“非共位布置”,使矩形撓性航天結(jié)構(gòu)的無源性被破壞,“無源性違反”現(xiàn)象發(fā)生。當敏感器和執(zhí)行機構(gòu)布置在臨近位置時,通過對矩形撓性航天結(jié)構(gòu)動力學(xué)系統(tǒng)進行頻域分析,發(fā)現(xiàn)在低頻區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)仍然具有無源性,“無源性違反”現(xiàn)象僅發(fā)生在高頻區(qū)域。針對撓性結(jié)構(gòu)在不同頻域下的不同特性,設(shè)計了基于廣義KYP引理的混合有限頻域控制器,在低頻區(qū)域內(nèi)具有嚴格正實性,在高頻區(qū)域內(nèi)具有有限增益。仿真分析發(fā)現(xiàn),當混合有限頻域控制器作用在共位布置假設(shè)下的撓性航天結(jié)構(gòu)時,與基于KYP引理設(shè)計的全頻域控制器相比,發(fā)現(xiàn)在獲得基本相同的振動抑制效果時,混合有限頻域控制器的能量消耗更少;當撓性系統(tǒng)在“非共位布置”下發(fā)生“無源性違反”時,基于KYP引理設(shè)計的全頻域控制器無法保證系統(tǒng)穩(wěn)定,基于廣義KYP引理的混合有限頻域控制器依舊能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定,同時還避免了“模態(tài)溢出”現(xiàn)象的發(fā)生�；旌嫌邢揞l域控制器還被應(yīng)用到剛體航天器姿態(tài)控制問題中,解決了Euler方程中從輸入到輸出的“能量遷移”。通過添加預(yù)處理項,給出了Euler方程獲得有限增益的證明。數(shù)學(xué)仿真發(fā)現(xiàn),與基于KYP引理設(shè)計的全頻域控制器相比,混合有限頻域控制器能夠使角速度收斂時間更短,控制消耗更少�？紤]在圓形撓性航天結(jié)構(gòu)上分散安裝角動量輸出裝置,對撓性結(jié)構(gòu)的形狀采取主動控制,使撓性結(jié)構(gòu)具有更多的功能。采用偏微分方程的最優(yōu)控制理論,獲得最優(yōu)陀螺彈性徑向分布函數(shù),建立了考慮撓性結(jié)構(gòu)面內(nèi)應(yīng)力和陀螺彈性項的圓形撓性結(jié)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型,利用動力學(xué)方程中的陀螺彈性項,實現(xiàn)將圓形撓性結(jié)構(gòu)的形狀從平板形主動控制為拋物面形,仿真分析驗證了主動形狀控制方法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V414

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本文編號：2752609