發(fā)布時間：2019-02-24 12:32

【摘要】：柔性航天器通常安裝有太陽翼,以提供航天器正常工作所需的能量。由于太陽翼彈性振動不可避免地與航天器姿態(tài)運動相互耦合,因此柔性航天器是典型的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)。當前,為了使航天器具有更強的功能和更長的壽命,太陽翼的尺寸不斷增大,這導致系統(tǒng)剛?cè)狁詈闲l(fā)顯著。值得關注的是,目前多數(shù)的柔性航天器動力學與控制研究還依賴于單獨的太陽翼的模態(tài)(假設模態(tài))。這類模態(tài)無法反映柔性航天器的剛?cè)狁詈闲?導致相關的研究方法應用于安裝大型太陽翼的航天器時,存在一定的不足。因此,發(fā)展柔性航天器剛?cè)狁詈夏B(tài)的獲取方法,在此基礎上深入開展航天器姿態(tài)運動與太陽翼結(jié)構(gòu)振動耦合分析及協(xié)同控制研究,具有一定的理論意義和工程價值。本文以安裝大型太陽翼的柔性航天器為研究對象,結(jié)合解析分析和數(shù)值仿真兩種手段,提出了獲取系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏B(tài)的解析方法,并以此為基礎,從固有特性、動力學建模及動力學特性、姿態(tài)運動-結(jié)構(gòu)振動協(xié)同控制等方面進行了相關基礎理論研究。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:提出了一種直接獲取柔性航天器剛?cè)狁詈夏B(tài)的解析方法——采用一組統(tǒng)一的廣義坐標描述航天器姿態(tài)運動和太陽翼彈性振動,然后使用邊界條件聯(lián)立求解航天器姿態(tài)運動常微分方程和太陽翼彈性振動偏微分方程,快速且準確地計算柔性航天器剛?cè)狁詈夏B(tài)的振型表達式和頻率值。收斂性分析表明,隨著模型維數(shù)升高,基于假設模態(tài)及有限元的離散模型計算的系統(tǒng)頻率逐漸收斂于這種解析方法得到的頻率精確值。相比于傳統(tǒng)的假設模態(tài)建模方法,所得的剛?cè)狁詈夏B(tài)可用于建立航天器的低維高精度離散動力學模型,基于此模型設計的低維控制器能夠在更短的時間內(nèi)使用更少的能量完成航天器姿態(tài)運動-太陽翼結(jié)構(gòu)振動協(xié)同控制的目標�；谌嵝院教炱鞯膭�?cè)狁詈闲?將航天器姿態(tài)運動表示為剛體模態(tài)(類比于太陽翼模態(tài)振型)與廣義坐標(與太陽翼的相同)的乘積,拓展了廣泛用于彈性體自由振動分析的Rayleigh-Ritz法,使其適用于“中心剛體-柔性梁/板”這類剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的固有特性分析。拓展后的Rayleigh-Ritz法可以給出系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏B(tài)的解析表達式,而且具有良好的收斂性和很高的計算精度。利用此方法,本文全面深入地分析了三軸姿態(tài)穩(wěn)定航天器(安裝有一對太陽翼)剛?cè)狁詈夏B(tài)的特性,給出了判斷各階模態(tài)耦合情況的判據(jù)。最后還討論了航天器中心剛體平臺的轉(zhuǎn)動慣量以及太陽翼長度對系統(tǒng)模態(tài)特性的影響。針對以蜂窩夾芯板作為基板的太陽翼,采用三層的層合板(包含蜂窩芯層和上下面板)而非單層各向同性板對太陽翼建模,隨后基于剛?cè)狁詈夏B(tài)建立了更加符合工程實際的柔性航天器低維高精度離散動力學模型。在此基礎上,研究了蜂窩板參數(shù)和航天器柔性對系統(tǒng)固有特性的影響;結(jié)合輸入成形和比例微分控制,設計了算法簡單且適宜于實時控制的協(xié)同控制器,能完成具有不同柔性的以及受太陽熱流照射的航天器的姿態(tài)機動-結(jié)構(gòu)振動協(xié)同控制任務,并同時消除可能發(fā)生的熱顫振現(xiàn)象。針對受太陽熱流照射的姿態(tài)機動柔性航天器,采用有限差分法推導了計算太陽翼(含有蜂窩板基板)截面溫度分布的顯式遞推格式;在考慮熱應力和熱應變的基礎上,使用剛?cè)狁詈夏B(tài)建立了航天器剛-柔-熱耦合動力學模型。隨后,設計了熱-結(jié)構(gòu)雙向耦合求解流程,用于計算姿態(tài)機動航天器的熱誘發(fā)剛?cè)狁詈险駝禹憫�。�?shù)值結(jié)果表明:姿態(tài)機動航天器的太陽翼會受到時變熱載荷作用,由此引發(fā)的動力學響應包含準靜態(tài)變形以及疊加其上的振動分量兩部分;如果熱流的最終入射角(約等于初始入射角與姿態(tài)機動角之和)較大,則具有較小結(jié)構(gòu)阻尼的航天器的熱誘發(fā)響應可能是不穩(wěn)定的,此時可能出現(xiàn)熱顫振現(xiàn)象;若航天器阻尼較大,太陽翼熱誘發(fā)動力學響應的振動分量將逐漸衰減,最終僅余下準靜態(tài)變形。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：V414;V448.22

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 劉延柱,陳立群,成功,戈新生;航天器姿態(tài)動力學中的穩(wěn)定性、分岔和混沌[J];力學進展;2000年03期

2 周黎妮,唐國金,羅亞中;基于Matlab/Simulink的航天器姿態(tài)動力學與控制仿真框架[J];系統(tǒng)仿真學報;2005年10期

3 姚郁;謝瑞強;;一種微型航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)建模與分析[J];宇航學報;2007年04期

4 陳立群;仰之彌高　鉆之彌深──《航天器姿態(tài)動力學》評介[J];黃淮學刊(自然科學版);1997年S4期

5 胡慶雷;肖冰;馬廣富;;輸入受限的航天器姿態(tài)調(diào)節(jié)小波滑模反步控制[J];哈爾濱工業(yè)大學學報;2010年05期

6 王煥宇;;誤差受限的航天器姿態(tài)跟蹤控制[J];科技創(chuàng)新導報;2013年15期

7 張兵;吳宏鑫;;欠激勵航天器姿態(tài)翻滾抑制的滑動控制[J];控制工程;1998年05期

8 程緒鐸,王照林,李俊峰;帶彈性伸展附件充液航天器姿態(tài)動力學研究[J];空間科學學報;2000年03期

9 唐超穎,沈春林,李麗榮;航天器姿態(tài)滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的設計[J];南京航空航天大學學報;2003年04期

10 郭鐵能,陸秋海,葛東云,任革學;航天器姿態(tài)和振動的拉索控制模型[J];清華大學學報(自然科學版);2005年11期

相關會議論文 前10條

1 梁瓊;岳寶增;;帶能量耗散附件航天器姿態(tài)穩(wěn)定性及控制[A];中國力學學會學術大會'2009論文摘要集[C];2009年

2 馬孜;;適用于航天器姿態(tài)估計的自適應卡爾曼濾波算法[A];第二十三屆中國控制會議論文集（上冊）[C];2004年

3 張偉;高旭;霍佳婧;;基于聯(lián)合仿真的剛?cè)狁詈虾教炱髯藨B(tài)計算[A];北京力學會第17屆學術年會論文集[C];2011年

4 劉正山;周志成;曲廣吉;;柔性航天器姿態(tài)熱誘導運動響應力學建模分析[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

5 賈英宏;;航天器姿態(tài)/能量一體化系統(tǒng)動力學與控制[A];第二屆全國動力學與控制青年學者研討會論文摘要集[C];2008年

6 胡紹林;KARL Meinke;;N體航天器姿態(tài)運動的動態(tài)-測量系統(tǒng)建模與應用[A];中國自動化學會控制理論專業(yè)委員會B卷[C];2011年

7 范高潔;;變構(gòu)型多體航天器姿態(tài)動力學與仿真[A];北京力學會第19屆學術年會論文集[C];2013年

8 于丹;岳寶增;;充液航天器姿態(tài)動力學及跟蹤控制[A];第十三屆全國非線性振動暨第十屆全國非線性動力學和運動穩(wěn)定性學術會議摘要集[C];2011年

9 岳寶增;;柔性充液航天器姿態(tài)轉(zhuǎn)換機動及混沌姿態(tài)控制[A];第十二屆全國非線性振動暨第九屆全國非線性動力學和運動穩(wěn)定性學術會議論文集[C];2009年

10 劉峰;廖瑛;劉翔春;;考慮轉(zhuǎn)動和撓性附件的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)建模與仿真[A];2009系統(tǒng)仿真技術及其應用學術會議論文集[C];2009年

相關重要報紙文章 前2條

1 本報記者 李鳳琳;煤電治污應加強協(xié)同控制[N];中國能源報;2014年

2 本報記者 黃婷婷;協(xié)同控制能否落到實處？[N];中國環(huán)境報;2013年

相關博士學位論文 前10條

1 劉倫;航天器姿態(tài)運動與太陽翼結(jié)構(gòu)振動耦合分析及協(xié)同控制[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

2 張喜海;基于T-S模型的航天器姿態(tài)模糊控制問題研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

3 高士根;多列車協(xié)同運行的若干控制問題研究[D];北京交通大學;2016年

4 孟子陽;基于一致性算法的多航天器姿態(tài)協(xié)同控制研究[D];清華大學;2010年

5 張安慧;大規(guī)模航天器編隊協(xié)同控制性能分析與信息拓撲設計[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

6 謝伯元;基于信息交互及運動耦合的車輛協(xié)同控制方法[D];清華大學;2014年

7 吳艷紅;旋轉(zhuǎn)葉片剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學研究[D];哈爾濱工程大學;2011年

8 趙平;協(xié)同控制理論在電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中的應用研究[D];華中科技大學;2013年

9 宋志剛;基于煩惱率模型的工程結(jié)構(gòu)振動舒適度設計新理論[D];浙江大學;2003年

10 鄭少鵬;結(jié)構(gòu)振動重分析若干問題研究[D];吉林大學;2015年

相關碩士學位論文 前10條

1 李理;考慮控制與角速度受限的航天器姿態(tài)非線性滑�？刂芠D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

2 馬杰;基于自適應模糊滑模的航天器姿態(tài)穩(wěn)定的研究[D];渤海大學;2016年

3 賈延龍;航天器姿態(tài)跟蹤的自適應內(nèi)模控制方法研究[D];渤海大學;2016年

4 苗楠;基于控制分配的航天器姿態(tài)容錯控制[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

5 朱江;航天器姿態(tài)和軌道的魯棒控制[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

6 黃靜;三軸穩(wěn)定航天器姿態(tài)最優(yōu)控制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年

7 李敏麗;基于滑模變結(jié)構(gòu)的航天器姿態(tài)控制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2009年

8 肖冰;帶有輸入飽和的撓性航天器姿態(tài)跟蹤魯棒控制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年

9 呂昕東;磁性剛體航天器姿態(tài)動力學穩(wěn)定性研究[D];北方工業(yè)大學;2011年

10 鮑國亮;陀螺飛輪實現(xiàn)航天器姿態(tài)測量與控制的機理分析[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

，

本文編號：2429555