【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(yáng)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(yáng)帆、太陽(yáng)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(lèi)撓性航天結(jié)構(gòu)在空間運(yùn)行時(shí),姿態(tài)運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的耦合現(xiàn)象。分析撓性航天結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)特性時(shí),首先要對(duì)撓性結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,而后以模態(tài)坐標(biāo)方程為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)控制器,實(shí)現(xiàn)撓性航天結(jié)構(gòu)的姿態(tài)穩(wěn)定和振動(dòng)抑制。在此過(guò)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(jì)的重要考慮因素。此外,一些撓性航天結(jié)構(gòu)如圓形太陽(yáng)帆,改變結(jié)構(gòu)形狀將會(huì)實(shí)現(xiàn)不同的功能。因此,在空間運(yùn)行過(guò)程中,撓性航天結(jié)構(gòu)的主動(dòng)形狀控制也成為需要研究的問(wèn)題。本文以撓性航天結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)與控制為研究重點(diǎn),從調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)能量的角度出發(fā),以無(wú)源性(passivity)理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)控制器,充分考慮高階模態(tài)的影響,實(shí)現(xiàn)了撓性航天結(jié)構(gòu)的姿態(tài)穩(wěn)定與振動(dòng)抑制,并設(shè)計(jì)了撓性航天結(jié)構(gòu)的主動(dòng)形狀控制方法,為進(jìn)一步研究撓性航天結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與控制提供參考。具體研究?jī)?nèi)容如下:針對(duì)撓性航天結(jié)構(gòu),基于無(wú)源性原理,設(shè)計(jì)了增益調(diào)節(jié)嚴(yán)格正實(shí)控制器,通過(guò)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)能量的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)對(duì)撓性結(jié)構(gòu)的姿態(tài)穩(wěn)定及振動(dòng)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(jī)構(gòu),使撓性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)輸入輸出系統(tǒng)保有無(wú)源性,針對(duì)推力器和飛輪分別設(shè)計(jì)了增益調(diào)節(jié)信號(hào),還特別考慮了飛輪的輸出飽和問(wèn)題,通過(guò)仿真分析驗(yàn)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(jī)構(gòu),提出了一種基于系統(tǒng)輸出的增益調(diào)節(jié)信號(hào),使被控系統(tǒng)的輸入輸出由高維向量簡(jiǎn)化為標(biāo)量,與之反饋互聯(lián)的嚴(yán)格正實(shí)控制器相應(yīng)地簡(jiǎn)化為標(biāo)量控制器,降低了控制器的運(yùn)算量,實(shí)現(xiàn)了圓形撓性結(jié)構(gòu)的姿態(tài)穩(wěn)定和振動(dòng)抑制;仿真分析首先對(duì)比了有增益調(diào)節(jié)控制器和無(wú)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(hào)。這種增益調(diào)節(jié)嚴(yán)格正實(shí)控制方法還被推廣應(yīng)用到剛體航天器姿態(tài)控制問(wèn)題中,提出了一種帶有非線性修飾項(xiàng)的嚴(yán)格正實(shí)控制器,解決了系統(tǒng)輸入被量化帶來(lái)的輸入非線性問(wèn)題,控制器對(duì)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(yán)格正實(shí)控制器作用下航天器的姿態(tài)響應(yīng)。在實(shí)際情況中,敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的共位布置很難實(shí)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(wú)源性被破壞,“無(wú)源性違反”現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置在臨近位置時(shí),通過(guò)對(duì)矩形撓性航天結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)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(wú)源性,“無(wú)源性違反”現(xiàn)象僅發(fā)生在高頻區(qū)域。針對(duì)撓性結(jié)構(gòu)在不同頻域下的不同特性,設(shè)計(jì)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(yán)格正實(shí)性,在高頻區(qū)域內(nèi)具有有限增益。仿真分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)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(shí),與基于KYP引理設(shè)計(jì)的全頻域控制器相比,發(fā)現(xiàn)在獲得基本相同的振動(dòng)抑制效果時(shí),混合有限頻域控制器的能量消耗更少;當(dāng)撓性系統(tǒng)在“非共位布置”下發(fā)生“無(wú)源性違反”時(shí),基于KYP引理設(shè)計(jì)的全頻域控制器無(wú)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(shí)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(wèn)題中,解決了Euler方程中從輸入到輸出的“能量遷移”。通過(guò)添加預(yù)處理項(xiàng),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(jì)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(shí)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(dòng)量輸出裝置,對(duì)撓性結(jié)構(gòu)的形狀采取主動(dòng)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(xiàng)的圓形撓性結(jié)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,利用動(dòng)力學(xué)方程中的陀螺彈性項(xiàng),實(shí)現(xiàn)將圓形撓性結(jié)構(gòu)的形狀從平板形主動(dòng)控制為拋物面形,仿真分析驗(yàn)證了主動(dòng)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：V414

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