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柔性航天器动力学方程一般形式的工程简化方法
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作者 邹元杰 邓润然 +1 位作者 史纪鑫 葛东明 《中国空间科学技术(中英文)》 北大核心 2025年第2期70-78,共9页
在完备的柔性航天器动力学二阶微分方程一般形式的基础上,提出一般方程的工程简化方法。首先,采用平动集中质量方法对相关积分项进行了简化处理,忽略单元自身转动惯量对总惯量的影响以及板壳单元、梁单元等转角运动的影响,将体积分运算... 在完备的柔性航天器动力学二阶微分方程一般形式的基础上,提出一般方程的工程简化方法。首先,采用平动集中质量方法对相关积分项进行了简化处理,忽略单元自身转动惯量对总惯量的影响以及板壳单元、梁单元等转角运动的影响,将体积分运算统一转化为节点相关变量与平动质量乘积的求和运算;其次,依据“小变形假设”,对含结构变形参量的方程系数矩阵进行简化,忽略结构振动位移对节点位置矢量的影响,使非线性系数矩阵转化为常系数矩阵。通过简化处理,柔性航天器动力学方程一般形式的所有项均被保留,而其积分项和系数矩阵的计算,在满足工程精度要求的前提下得到大幅简化,便于编程实现和工程实施。提出的工程简化方法主要用于柔性航天器在大范围、复杂运动过程中的动力学仿真分析,后续可以由单体动力学进一步拓展至多体动力学,解决在轨组装航天器、空间机器人/机械臂等空间结构系统的柔性多体动力学问题。数值算例验证了工程简化方法的合理性和有效性。 展开更多
关键词 柔性航天器 动力学 一般形式 工程简化方法 平动集中质量方法
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柔性航天器全局有限时间姿态容错控制
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作者 朱婉婉 杨玉凯 宗群 《控制理论与应用》 北大核心 2025年第1期202-208,共7页
本文针对在模型不确定性、外界干扰与执行器故障影响下柔性航天器姿态控制问题,设计一种自适应容错控制算法,该算法包括标称控制部分和补偿控制部分.首先,标称控制部分用于实现不考虑综合不确定影响下航天器有限时间姿态控制;其次,补偿... 本文针对在模型不确定性、外界干扰与执行器故障影响下柔性航天器姿态控制问题,设计一种自适应容错控制算法,该算法包括标称控制部分和补偿控制部分.首先,标称控制部分用于实现不考虑综合不确定影响下航天器有限时间姿态控制;其次,补偿控制部分基于积分滑模理论进行设计,该补偿控制器通过对综合不确定有效估计,在控制器中作补偿,减少对姿态控制精度的影响,提高航天器姿态控制精度.该算法特点在于可实现柔性航天器全局有限时间姿态控制,放宽角速度或其导数、执行器故障或其导数有界的假设.同时,基于Lyapunov函数严格证明整个闭环系统的稳定性.最后,通过仿真验证该控制算法的有效性. 展开更多
关键词 姿态控制 自适应控制 干扰观测器 柔性航天器
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柔性航天器的H_(∞)状态反馈控制器设计 被引量:1
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作者 赵新华 汪康 高长生 《现代防御技术》 北大核心 2024年第2期79-86,共8页
当柔性航天器工作时,由于液体燃料的晃动与重力梯度等外界环境干扰,导致航天器系统出现强非线性以及强耦合性等特点,因此如何控制其姿态偏转一直是极具难点的问题。为了解决此问题,设计了一种H_(∞)状态反馈控制器,重新定义了柔性航天... 当柔性航天器工作时,由于液体燃料的晃动与重力梯度等外界环境干扰,导致航天器系统出现强非线性以及强耦合性等特点,因此如何控制其姿态偏转一直是极具难点的问题。为了解决此问题,设计了一种H_(∞)状态反馈控制器,重新定义了柔性航天器的动力学模型中的综合扰动项,结合运动学模型描绘了柔性航天器的数学模型表达式。将柔性航天器的数学模型改写成了H_(∞)状态反馈控制数学模型。使用数学理论验证了控制器理论可用性,通过仿真软件对处于H_(∞)状态反馈控制律下的柔性航天器数学模型进行仿真。结果表明,设计的H_(∞)状态反馈控制器可以有效地实现柔性航天器的姿态稳定,振动抑制,具有实际价值。 展开更多
关键词 柔性航天器 H_(∞)控制 数学模型 状态反馈 姿态控制
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基于非线性色散方程组的全柔性航天器的动力学分析
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作者 袁泉 魏春岭 +3 位作者 张军 万强 邹奎 王梦菲 《空间控制技术与应用》 CSCD 北大核心 2024年第4期26-36,共11页
空间太阳能电站等大型结构由于采用轻质材料且结构尺寸大,呈全柔性状态,即不存在刚性构架,使得传统的中心刚体附加截断模态的方法在处理动力学问题时会出现显著的误差.从连续空间的角度对空间太阳能电站的动力学性质进行分析,以确定不... 空间太阳能电站等大型结构由于采用轻质材料且结构尺寸大,呈全柔性状态,即不存在刚性构架,使得传统的中心刚体附加截断模态的方法在处理动力学问题时会出现显著的误差.从连续空间的角度对空间太阳能电站的动力学性质进行分析,以确定不同条件下起主导作用的动力学行为,为控制系统设计提供足够准确的模型简化原则.将空间太阳能电站看作平面内运动的自由边界非线性梁,根据Hamilton原理得到描述局部弹性运动与全局刚性运动的动力学模型.分析小变形情形下动力学方程在给定初始条件下的稳态解及其渐进性,讨论模态解或考虑了波动效应的色散解与结构尺寸、刚度等参数的关系,初步分析有限变形情形下可能出现的动力学行为,如动力刚化、非线性正规模态和孤立子解.总结空间太阳能电站在不同结构参数或运动条件下的动力学模型简化原则.对关键要素分析结果进行数值仿真,以此验证了理论分析结果. 展开更多
关键词 柔性航天器 大范围自由运动 动力刚化 色散性 简化模型
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大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展 被引量:74
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作者 曹登庆 白坤朝 +4 位作者 丁虎 周徐斌 潘忠文 陈立群 詹世革 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2019年第1期1-13,共13页
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... 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). 展开更多
关键词 大型柔性航天器 空间结构 非线性动力学 振动控制 姿轨控 多体系统动力学
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基于输入成形的柔性航天器振动闭环抑制方法研究 被引量:12
6
作者 孔宪仁 杨正贤 +2 位作者 叶东 董晓光 刘源 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2010年第3期72-76,共5页
针对柔性航天器姿态机动时柔性附件的振动抑制问题,提出一种基于输入成形和反馈控制联合的主动振动抑制策略,在保证航天器完成指定的姿态机动的同时抑制对系统影响较大的挠性附件的振动。考虑到柔性附件模态变量难以测得以及存在外界干... 针对柔性航天器姿态机动时柔性附件的振动抑制问题,提出一种基于输入成形和反馈控制联合的主动振动抑制策略,在保证航天器完成指定的姿态机动的同时抑制对系统影响较大的挠性附件的振动。考虑到柔性附件模态变量难以测得以及存在外界干扰力矩,设计了只利用姿态信息的反馈控制器,并根据整个闭环系统的振动频率和阻尼比信息设计前馈鲁棒多模态输入成形器,进一步提高闭环系统的性能。仿真结果表明,应用该策略成功地抑制柔性附件的振动及改善系统的机动时间,并使系统性能对参数的摄动具有很强鲁棒性。 展开更多
关键词 输入成形 柔性航天器 振动抑制 闭环控制 鲁棒性
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控制受限柔性航天器姿态机动内闭环成形控制 被引量:6
7
作者 孔宪仁 杨正贤 +1 位作者 董晓光 廖俊 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第2期329-335,共7页
针对柔性航天器带有执行机构饱和的姿态控制问题,提出了一种将反馈控制与内闭环信号成形相结合的控制方法。将成形器作用于系统内闭环回路中,通过人为引入控制延时达到抑制振动的目的,避免敏感器扰动、执行机构饱和等非线性影响控制器... 针对柔性航天器带有执行机构饱和的姿态控制问题,提出了一种将反馈控制与内闭环信号成形相结合的控制方法。将成形器作用于系统内闭环回路中,通过人为引入控制延时达到抑制振动的目的,避免敏感器扰动、执行机构饱和等非线性影响控制器振动抑制效果。全物理实验结果表明,在反作用飞轮存在控制力矩饱和的情况下,该方法不仅使航天器快速地、平稳地完成高精度姿态机动,而且显著地减少了柔性结构的弹性振动,具有算法简单、易于在轨实时计算的优点。 展开更多
关键词 柔性航天器 控制受限 内闭环信号成形 振动抑制 全物理实验
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柔性航天器自由飞行状态系统基频的估算方法 被引量:8
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作者 徐小胜 于登云 曲广吉 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2004年第2期208-212,共5页
首先分别采用部件模态和系统模态建立柔性航天器在轨运行状态下的动力学方程;重点推导了航天器系统模态与其部件模态之间的模态恒等式,得到了由部件模态计算系统模态频率的一般公式;然后结合目前航天器的常见构型,对一般公式进行合理简... 首先分别采用部件模态和系统模态建立柔性航天器在轨运行状态下的动力学方程;重点推导了航天器系统模态与其部件模态之间的模态恒等式,得到了由部件模态计算系统模态频率的一般公式;然后结合目前航天器的常见构型,对一般公式进行合理简化,得到了估算航天器系统基频的简化公式;最后给出了简化公式的工程应用算例。 展开更多
关键词 柔性航天器 部件模态 系统模态 惯性完备性 模态恒等式
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关于柔性航天器动力学模型降阶问题 被引量:9
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作者 缪炳祺 曲广吉 +1 位作者 夏邃勤 程道生 《中国工程科学》 2001年第11期60-64,共5页
针对柔性航天器动力学模型的降阶问题 ,综述了动力学建模中几种常用的模态集 ,介绍了用于选择系统保留模态的有关准则。通常的模态价值分析和内平衡理论是用于航天器系统模态的选取 ,而不是直接用于动力学建模时的部件模态或系统结构弹... 针对柔性航天器动力学模型的降阶问题 ,综述了动力学建模中几种常用的模态集 ,介绍了用于选择系统保留模态的有关准则。通常的模态价值分析和内平衡理论是用于航天器系统模态的选取 ,而不是直接用于动力学建模时的部件模态或系统结构弹性变形模态的选取 ,因而存在如何应用上述准则于动力学建模的问题。为此 ,提出了一个动力学建模时的降阶策略 ;还提供了一个数值例子 ,以对采用不同的模态集建模时的结果进行比较 ,并表明如何采用上述准则于航天器的动力学建模。 展开更多
关键词 柔性航天器 动力学模型 模型降阶 设计 动力学仿真
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柔性航天器的模态综合-混合坐标动力学建模 被引量:10
10
作者 缪炳祺 曲广吉 夏邃勤 《浙江工业大学学报》 CAS 2002年第2期139-142,152,共5页
针对由中心体和柔性附件组成的柔性航天器 ,采用混合坐标法 ,通过伪坐标形式的拉格朗日方程 ,建立了全柔性航天器的混合坐标动力学方程。建模中采用模态综合理论的方法 ,由航天器结构的弹性正则模态和静变形模态组成的模态集表示结构变... 针对由中心体和柔性附件组成的柔性航天器 ,采用混合坐标法 ,通过伪坐标形式的拉格朗日方程 ,建立了全柔性航天器的混合坐标动力学方程。建模中采用模态综合理论的方法 ,由航天器结构的弹性正则模态和静变形模态组成的模态集表示结构变形 ,以便更有效的将结构变形的影响引入到航天器的动力学模型中。文中用由盒形中心体和两帆板组成的假想航天器系统为例 ,以此系统的有限元动力学模型为基准 ,比较了采用弹性正则模态和静变形模态的模态综合建模和单纯采用弹性正则模态的常规建模时得到的系统特征频率 ,表明引入静变形模态以后 ,所得到的动力学模型能更好反映柔性航天器的动力学特性。 展开更多
关键词 建模 混合坐标动力学方程 结构变形 动力学模型 柔性航天器 动力学 模态综合法
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携带晃动燃料柔性航天器姿态机动中的同宿环分叉研究 被引量:8
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作者 岳宝增 祝乐梅 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第5期991-997,共7页
本文研究了带液体晃动和柔性附件的耦合航天器系统在液体燃料耗散和柔性附件扭转振动的作用下,经历从最小惯量轴到最大惯量轴姿态机动中的混沌动力学行为。将液体晃动等效为球摆模型并由此建立了带柔性附件充液航天器多体耦合系统动力... 本文研究了带液体晃动和柔性附件的耦合航天器系统在液体燃料耗散和柔性附件扭转振动的作用下,经历从最小惯量轴到最大惯量轴姿态机动中的混沌动力学行为。将液体晃动等效为球摆模型并由此建立了带柔性附件充液航天器多体耦合系统动力学模型。首先推导出耦合系统动力学方程并采用Melnikov积分预测受扰系统稳定与不稳定流形是否横截相交,得到了参数形式表达的混沌运动解析判据,这对航天器的设计有重要的指导意义。研究发现,混沌的发生依赖于刚体形状,阻尼比,充液比和扭转振动频率。此外,在经过被动再定向姿态机动后,由于液体晃动的本质非线性特性,充液航天器最终将进行大章动角的周期极限环运动而非绕着最大惯量轴自旋。 展开更多
关键词 姿态机动 充液航天器 柔性航天器 液体晃动
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柔性航天器大角度机动闭环开关序列控制 被引量:2
12
作者 孔宪仁 杨正贤 +1 位作者 廖俊 张也弛 《哈尔滨工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第11期11-15,124,共6页
针对柔性航天器大角度姿态机动时柔性附件的振动抑制问题,提出了一种闭环脉冲序列控制方法.该方法利用姿态角和角速度作为反馈信号,分别使用喷气推力器、反作用飞轮完成姿态的粗、精控制,以实现航天器的快速大角度机动;同时,为实现平稳... 针对柔性航天器大角度姿态机动时柔性附件的振动抑制问题,提出了一种闭环脉冲序列控制方法.该方法利用姿态角和角速度作为反馈信号,分别使用喷气推力器、反作用飞轮完成姿态的粗、精控制,以实现航天器的快速大角度机动;同时,为实现平稳的机动过程,设计成形的喷气开关控制指令,以避免机动过程中推力器激起柔性结构的持续振动.全物理实验结果表明,该方法不仅使航天器完成姿态的机动,而且显著地减少了柔性结构的弹性振动,并且具有节省燃料、算法简单、易于在轨实时计算、工程可行性及有效性高的优点. 展开更多
关键词 柔性航天器 大角度机动 喷气开关控制 振动抑制 全物理实验
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柔性航天器高精度隔振与定向研究 被引量:6
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作者 王萍萍 刘磊 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第9期1195-1202,共8页
随着大型航天器柔性越来越大,结构越加复杂,导致低频柔性模态密集,但同时需要极高的定向精度及姿态稳定度,这就对航天器姿态控制系统提出了更高的要求。本文采用拉格朗日法建立了柔性航天器姿态轨道耦合动力学模型,并设计了大角度机动... 随着大型航天器柔性越来越大,结构越加复杂,导致低频柔性模态密集,但同时需要极高的定向精度及姿态稳定度,这就对航天器姿态控制系统提出了更高的要求。本文采用拉格朗日法建立了柔性航天器姿态轨道耦合动力学模型,并设计了大角度机动航天器的姿态控制器。Lyapunov定理给出闭环系统的稳定性,在0.03Nm均方根的白噪声扰动下,大角度机动姿态角误差小于0.02°,均方根误差0.003°,为了抑制姿态抖振,设计了复合控制器,采用Stewart平台对敏感载荷局部高精度主动隔振和定向,局部控制后敏感载荷的定向误差小于0.0001°,均方根误差0.000036°。鲁棒Η∞控制器对Stewart平台主动镇定时,姿态抖振小于0.000002°,均方根误差小于0.0000008°,姿态稳定度优于0.00001°/s。 展开更多
关键词 柔性航天器 STEWART平台 主动隔振 复合控制 精确定向
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柔性航天器自适应多层神经网络跟踪控制方法 被引量:2
14
作者 孔宪仁 杨正贤 +1 位作者 廖俊 张也弛 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2011年第9期2039-2044,共6页
针对柔性航天器的姿态跟踪以及振动抑制问题,提出了一种自适应多层神经网络控制方法。利用自适应多层神经网络来补偿系统的非线性项,利用光滑变结构项来补偿神经网络逼近误差及外部干扰。柔性航天器为典型的一个中心刚体加柔性附件的结... 针对柔性航天器的姿态跟踪以及振动抑制问题,提出了一种自适应多层神经网络控制方法。利用自适应多层神经网络来补偿系统的非线性项,利用光滑变结构项来补偿神经网络逼近误差及外部干扰。柔性航天器为典型的一个中心刚体加柔性附件的结构,假设模型参数未知并且具有任意的有限维。控制器只利用姿态角和角速度信息进行反馈控制,不需柔性附件振动信息。最后,实验表明该方法可以有效地完成姿态跟踪和振动抑制。 展开更多
关键词 柔性航天器 多层神经网络 振动抑制 姿态跟踪 全物理实验
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连续力矩作用下的柔性航天器再定向与振动抑制 被引量:3
15
作者 荆武兴 徐世杰 吴瑶华 《宇航学报》 EI CSCD 北大核心 2000年第4期31-40,共10页
研究带两帆板航天器的三维再定向与振动抑制问题 ,执行机构为反作用轮。建立了柔性空间飞行器三轴耦合姿态动力学模型和四元数姿态运动学模型 ,建模时考虑了帆板的弯曲变形和扭转变形。采用拟欧拉角及角速度作为反馈信号 ,设计了一种PD... 研究带两帆板航天器的三维再定向与振动抑制问题 ,执行机构为反作用轮。建立了柔性空间飞行器三轴耦合姿态动力学模型和四元数姿态运动学模型 ,建模时考虑了帆板的弯曲变形和扭转变形。采用拟欧拉角及角速度作为反馈信号 ,设计了一种PD控制律。该控制律可以用于对任意目标姿态的再定向而形式保持不变。用Lyapunov方法证明了姿态的渐近稳定性和模态振动的衰减性。非线性闭环系统的仿真结果验证了所设计控制律不仅能够使航天器完成对任意目标姿态的再定向 。 展开更多
关键词 柔性航天器 姿态再定向 振动 带两帆板航天器
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柔性航天器姿态机动的时间次优反馈控制 被引量:1
16
作者 荆武兴 杨涤 +1 位作者 吴瑶华 黄建军 《中国空间科学技术》 EI CSCD 北大核心 1993年第6期1-7,21,共8页
研究了由一个中心刚体带若干柔性附件的航天器姿态反馈控制问题。利用相平面分析的方法给出了一种近似时间最优的反馈开关控制逻辑。仿真结果表明,此控制逻辑能够实现静止—静止的姿态机动,并且对附件振动有抑制作用。
关键词 柔性航天器 姿态控制 反馈控制 非线性系统
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考虑传感器故障的柔性航天器自适应积分滑模主动容错控制 被引量:3
17
作者 高志峰 韩冰 +1 位作者 钱默抒 林金星 《南京信息工程大学学报(自然科学版)》 CAS 2018年第2期146-152,共7页
针对考虑传感器故障的柔性航天器姿态系统,提出了一种主动容错控制方法.首先,通过对测量输出进行滤波,将传感器故障转化为执行器故障形式;接着,设计一个基于未知输入观测器的自适应故障估计观测器,对未知故障进行辨识,同时,采用了一个... 针对考虑传感器故障的柔性航天器姿态系统,提出了一种主动容错控制方法.首先,通过对测量输出进行滤波,将传感器故障转化为执行器故障形式;接着,设计一个基于未知输入观测器的自适应故障估计观测器,对未知故障进行辨识,同时,采用了一个故障检测观测器,对故障的发生进行检测;然后,利用故障估计信号对系统输出进行调节,结合自适应积分滑模和线性矩阵不等式技术设计输出反馈容错控制器;最后,对所设计的主动容错控制方法进行仿真,验证了所提方法的有效性. 展开更多
关键词 柔性航天器 主动容错控制 传感器故障 积分滑模控制
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关于柔性航天器的动力学建模问题 被引量:2
18
作者 缪炳祺 曲广吉 程道生 《航天器工程》 1998年第3期26-32,共7页
首先简单介绍了关于柔性航天器动力学建模的一些综述论文,指出了柔性航天器动力学建模的困难所在。然后,分别对柔性体变形运动的描述模型、浮动参考架的选择、动力学方程的建立和模型降阶等问题进行了探讨。
关键词 柔性航天器 动力学建模 建模 模型降价 航天器
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系统模态下柔性航天器混合坐标动力学方程 被引量:1
19
作者 缪炳祺 曲广吉 《中国空间科学技术》 CSCD 北大核心 2000年第1期18-23,35,共7页
首先建立了采用任意浮动参考系时的柔性航天器动力学方程; 然后选择连体坐标系为浮动参考系, 解所得到的动力学方程的特征值问题, 得到整个航天器系统的系统模态。通过模态变换, 得到用连体系刚体位移和系统模态坐标表示的混合坐标... 首先建立了采用任意浮动参考系时的柔性航天器动力学方程; 然后选择连体坐标系为浮动参考系, 解所得到的动力学方程的特征值问题, 得到整个航天器系统的系统模态。通过模态变换, 得到用连体系刚体位移和系统模态坐标表示的混合坐标航天器动力学方程。与通常采用部件模态得到的混合坐标动力学方程不同, 这时弹性运动方程中不存在来自刚体运动的惯性耦合项; 同时也和采用系统自由弹性模态不同, 这时刚体坐标直接反映航天器刚体运动。论文最后给出了两个算例。 展开更多
关键词 柔性航天器 模态分析 动力学方程 建模 混合坐标
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柔性航天器姿态快速机动的自适应控制方法 被引量:4
20
作者 张国琪 丁建钊 《空间控制技术与应用》 2008年第4期23-27,50,共6页
研究带柔性附件航天器的姿态快速机动控制问题。根据带柔性附件的航天器的动力学模型推导并建立其特征模型。基于所建立的特征模型设计一种自适应控制方法,该方法设计简单,控制器参数物理意义明确,便于调试,可同时实现航天器的姿态快速... 研究带柔性附件航天器的姿态快速机动控制问题。根据带柔性附件的航天器的动力学模型推导并建立其特征模型。基于所建立的特征模型设计一种自适应控制方法,该方法设计简单,控制器参数物理意义明确,便于调试,可同时实现航天器的姿态快速机动控制和弹性附件的振动快速抑制。理论分析和数学仿真表明,该方法对控制器参数及被控对象的不确定性有很强的鲁棒稳定性和鲁棒性能,能取得比工程中常用的比例-微分(PD)控制更快的机动速度和更好的控制性能。 展开更多
关键词 姿态快速机动 柔性航天器 自适应控制 特征模型
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