大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展 被引量：74

1

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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一种挠性航天器的对偶四元数姿轨耦合控制方法 被引量：15

2

作者 杨一岱 荆武兴 张召 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第8期946-956,共11页

为解决复杂的挠性航天器的姿轨控制问题,对于挠性航天器的姿轨耦合动力学建模与控制展开研究。基于对偶四元数原理,推导给出一套挠性航天器的姿轨一体化动力学模型。此种模型能够紧凑描述航天器的轨道和姿态,且能够自动引入航天器平动... 为解决复杂的挠性航天器的姿轨控制问题,对于挠性航天器的姿轨耦合动力学建模与控制展开研究。基于对偶四元数原理,推导给出一套挠性航天器的姿轨一体化动力学模型。此种模型能够紧凑描述航天器的轨道和姿态,且能够自动引入航天器平动、转动与挠性附件振动三者之间的关联耦合作用。基于此模型设计了一种自适应位置姿态跟踪控制器,该控制器能够在航天器质量特性参数未知的情况下,对其位置和姿态进行轨迹跟踪控制,并使位置和姿态误差收敛。该自适应控制器还可对航天器上挠性附件对系统的耦合作用进行估计,进而在控制输出中对其进行补偿,提高卫星控制系统的稳定性。通过仿真对控制律进行校验,结果表明该控制律对挠性航天器控制效果良好,具有一定的工程应用参考价值。 展开更多

关键词 挠性航天器 对偶四元数 姿态动力学 自适应控制 姿轨耦合控制

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带梁式附件航天器姿态动力学的行波模型 被引量：3

3

作者 朱桂东 郑钢铁 邵成勋 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 1998年第4期37-44,共8页

将带梁式柔性附件航天器的附件振动作为波动研究。将附件按物理特性的差异划分成单元，弹性波在每一个单元内传播，并在结点处反射、散射。通过考虑单元间的边界条件可以得到姿态动力学的解析模型，并由此可以获得外扰动和姿态角到附件... 将带梁式柔性附件航天器的附件振动作为波动研究。将附件按物理特性的差异划分成单元，弹性波在每一个单元内传播，并在结点处反射、散射。通过考虑单元间的边界条件可以得到姿态动力学的解析模型，并由此可以获得外扰动和姿态角到附件弹性位移之间的传递特性。与传统的以混合坐标表示的模型相比，此模型能够获得更全面、更精确的姿态动力学特性。 展开更多

关键词 挠性 航天器 姿态动力学 行波模型 柔性附件

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基于SDRE方法的挠性航天器姿态控制 被引量：17

4

作者 张军 徐世杰 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第1期138-144,共7页

研究基于状态相关的Riccati方程(SDRE)方法的挠性航天器姿态控制问题。首先基于挠性航天器的姿态动力学方程,推导了用于姿态跟踪控制器设计的误差动力学方程;然后用SDRE方法对挠性航天器进行了姿态控制器的设计;接着采用了三种方法对SDR... 研究基于状态相关的Riccati方程(SDRE)方法的挠性航天器姿态控制问题。首先基于挠性航天器的姿态动力学方程,推导了用于姿态跟踪控制器设计的误差动力学方程;然后用SDRE方法对挠性航天器进行了姿态控制器的设计;接着采用了三种方法对SDRE控制器进行求解,即Schur法、改进的Newton法和θ-D法,如果将期望姿态设为某固定姿态,则该控制器实际上成为一个次优姿态机动控制器;最后以某挠性航天器为背景对三种解法进行了数值仿真和比较。仿真结果显示,改进的Newton法计算精度最高,Schur法其次,尽管相比之下θ-D法的计算精度最低,但它也能保证足够的控制精度,而其计算效率是其它两种方法所无法比拟的,θ-D法高效的控制器解算使SDRE的工程应用成为可能。 展开更多

关键词 动力学 姿态控制 状态相关 RICCATI方程 挠性航天器

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基于行波模型的航天器附件动力吸振分析 被引量：3

5

作者 朱桂东 郑钢铁 邵成勋 《振动工程学报》 EI CSCD 1998年第2期138-143,共6页

将航天器梁式柔性附件的振动作为波动研究，建立附件端点带单自由度动力吸振器的航天器行波动力学模型。根据附件的等效单自由度模型设计吸振器参数，以获得最优的减振效果。结果表明，动力吸振可明显降低附件弹性振动的峰值，改善姿态... 将航天器梁式柔性附件的振动作为波动研究，建立附件端点带单自由度动力吸振器的航天器行波动力学模型。根据附件的等效单自由度模型设计吸振器参数，以获得最优的减振效果。结果表明，动力吸振可明显降低附件弹性振动的峰值，改善姿态运动特性，同时，行波模型具有方便局部模型修改的特点。 展开更多

关键词 行波 航天器 附件 动力吸振器 梁式附件

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带挠性附件卫星的模型化及截断 被引量：9

6

作者 刘暾 杨大明 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 1989年第4期87-95,共9页

本文给出了具有中心刚体和P个挠性附件的空间飞行器姿态动力学方程式,并用约束和非约束两种模态展开,得到时域求解的状态方程式和频域中的增广姿态角对控制力矩的逆传递函数阵。推导中考虑了挠性附件对中心刚体的相对运动。本文还给出... 本文给出了具有中心刚体和P个挠性附件的空间飞行器姿态动力学方程式,并用约束和非约束两种模态展开,得到时域求解的状态方程式和频域中的增广姿态角对控制力矩的逆传递函数阵。推导中考虑了挠性附件对中心刚体的相对运动。本文还给出了两种模态恒等式,其中之一可用来做控制系统分析时截断高阶方程式的截断准则。 展开更多

关键词 挠性附件 卫星 姿态控制 截断

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基于动态滑模控制的挠性航天器姿态控制 被引量：15

7

作者 朱庆华 董瑞琦 马广富 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第10期1430-1435,共6页

本文采用滑动模态控制方法对挠性航天器设计了姿态镇定控制律.首先,建立了挠性航天器的数学模型.其中,挠性航天器的运动学方程采用姿态四元数描述.然后,通过引入动态切换函数,设计挠性航天器的动态滑模姿态控制律.该控制律能对滑模姿态... 本文采用滑动模态控制方法对挠性航天器设计了姿态镇定控制律.首先,建立了挠性航天器的数学模型.其中,挠性航天器的运动学方程采用姿态四元数描述.然后,通过引入动态切换函数,设计挠性航天器的动态滑模姿态控制律.该控制律能对滑模姿态控制律中由符号函数项引起的抖振进行抑制.采用Lyapunov方法证明了所设计的动态滑模姿态控制律能使闭环航天器姿态系统稳定.最后,通过数值仿真例子验证了所提出方法的有效性. 展开更多

关键词 挠性航天器 姿态镇定 动态滑模

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深空探测柔性太阳帆航天器动力学建模与姿态控制 被引量：3

8

作者 葛东明 史纪鑫 +2 位作者 邹元杰 邓润然 朱卫红 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第12期2019-2027,共9页

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... 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. 展开更多

关键词 太阳帆航天器 动力学建模 姿态控制 刚柔耦合 太阳光压

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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

9

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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挠性航天器姿态机动的主动振动控制 被引量：2

10

作者 马广富 胡庆雷 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第5期603-607,共5页

针对挠性航天器三轴姿态同时机动时太阳帆板的振动抑制问题,提出了采用压电智能元件作为致动器的主动振动控制方法,基于Lagrangian方法和四元数参数化建立了航天器姿态动力学和运动学模型.利用航天器姿态控制问题固有的无源性,设计了一... 针对挠性航天器三轴姿态同时机动时太阳帆板的振动抑制问题,提出了采用压电智能元件作为致动器的主动振动控制方法,基于Lagrangian方法和四元数参数化建立了航天器姿态动力学和运动学模型.利用航天器姿态控制问题固有的无源性,设计了一种仅利用姿态四元数而无需以角速度测量、挠性变形位移及速率测量作为反馈的控制规律,使得在大角度姿态机动的同时能有效地抑制太阳帆板的振动;基于Lyapunov方法证明了设计的动态控制器能够保证姿态的渐近稳定性和模态振动的衰减性.将该方法的控制效果与PD控制方法进行了比较,仿真验证了所给出的控制方法的可行性和有效性. 展开更多

关键词 挠性航天器 姿态动力学 姿态机动 主动振动抑制

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柔性全充液航天器大角度姿态机动混沌动力学 被引量：3

11

作者 岳宝增 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2008年第3期388-393,共6页

研究了受液体燃料黏性阻尼及柔性附件扭振影响的全充液航天器由最小惯量轴向最大惯量作大角度姿态机动过程中的混沌姿态动力学,尤其是液体燃料和柔性附件振动的耦合效应对航天器姿态动力学的影响.推导了耦合系统的动力学方程并利用尺度... 研究了受液体燃料黏性阻尼及柔性附件扭振影响的全充液航天器由最小惯量轴向最大惯量作大角度姿态机动过程中的混沌姿态动力学,尤其是液体燃料和柔性附件振动的耦合效应对航天器姿态动力学的影响.推导了耦合系统的动力学方程并利用尺度化方法将其转化为扰动系统的标准形式以便应用Melnikov方法对系统进行混沌姿态预测.推导了以系统参数形式表达的混沌姿态预测的解析准则.将利用数值方法所得到的对系统的数值仿真结果与Melnikov解析准则进行了比较和评述.研究了诸如航天器构型、液体燃料惯量及阻尼、柔性附件固有频率等系统特征量对混沌姿态的影响. 展开更多

关键词 航天器姿态动力学 充液航天器 姿态机动 柔性附件 非线性动力学 混沌

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带挠性轴太阳帆板航天器姿态动力学研究 被引量：1

12

作者 程绪铎 《合肥工业大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 2001年第4期543-546,共4页

建立了带挠性轴太阳帆板航天器的物理模型 ,利用保守系统的 Lagrange方程 ,导出了带挠性轴太阳帆板航天器动力学方程 ,在小姿态角速率情况下 ,推出了航天器挠性轴扭转运动、航天器姿态运动的运动学方程 ,给出了数值结果 ,分析了太阳帆... 建立了带挠性轴太阳帆板航天器的物理模型 ,利用保守系统的 Lagrange方程 ,导出了带挠性轴太阳帆板航天器动力学方程 ,在小姿态角速率情况下 ,推出了航天器挠性轴扭转运动、航天器姿态运动的运动学方程 ,给出了数值结果 ,分析了太阳帆板转动惯量、挠性轴的扭转刚度对航天器姿态运动的影响。 展开更多

关键词 航天器 挠性轴 姿态动力学 太阳帆板 转动惯量 扭转刚度 动力学方程

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柔性航天器单轴姿态机动的鲁棒稳定性分析 被引量：5

13

作者 赵英彪 荆武兴 《哈尔滨工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第1期44-48,共5页

为了研究带有两帆板柔性航天器滚转姿态机动的稳定性问题,建立了该飞行器滚转运动的姿态动力学模型,并在建模时考虑了帆板的弯曲振动.利用基于二次型性能指标的最优控制理论,采用状态反馈的方法,设计了一种LQ控制律.采用灵敏度方法给出... 为了研究带有两帆板柔性航天器滚转姿态机动的稳定性问题,建立了该飞行器滚转运动的姿态动力学模型,并在建模时考虑了帆板的弯曲振动.利用基于二次型性能指标的最优控制理论,采用状态反馈的方法,设计了一种LQ控制律.采用灵敏度方法给出了系统的鲁棒界,即系统的确保幅值裕量和确保相位裕量.基于灵敏度方法对系统鲁棒性的分析结果和实际闭环系统的仿真结果分别验证了设计的控制律不仅可以使柔性航天器完成大角度的滚转姿态机动,而且能在相当大的参数摄动下保持系统的鲁棒稳定性. 展开更多

关键词 柔性航天器 姿态动力学 姿态机动 灵敏度 鲁棒稳定性

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柔性航天器预设性能及时间自抗扰姿轨跟踪控制 被引量：4

14

作者 曹芊 贾庆贤 +3 位作者 李化义 马晨 何文韬 张迎春 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期99-109,共11页

针对柔性航天器的姿轨机动及跟踪控制问题,首先基于模块化的多体动力学建模方法在SE(3)框架下建立柔性航天器的姿-轨-结构一体化动力学模型,其中航天器的位置、姿态使用李群SE(3)上的指数坐标来描述,然后进一步推导其相对动力学模型。... 针对柔性航天器的姿轨机动及跟踪控制问题,首先基于模块化的多体动力学建模方法在SE(3)框架下建立柔性航天器的姿-轨-结构一体化动力学模型,其中航天器的位置、姿态使用李群SE(3)上的指数坐标来描述,然后进一步推导其相对动力学模型。在此基础上提出一种基于预定义性能及时间的积分滑模跟踪控制方法,通过引入预定义时间扰动观测器估计柔性附件弹性振动及空间环境的扰动,并在控制律中加入扰动估计结果的前馈补偿项,通过Lyapunov理论证明了系统的闭环稳定性和跟踪误差收敛性。该算法通过对状态误差的实时监测来调整执行器的输出,使控制器在系统存在柔性振动及空间环境干扰的情况下仍可实现高精度的姿轨跟踪。将其应用至柔性航天器姿轨跟踪系统中,仿真结果表明了该控制方案的有效性和实用性。 展开更多

关键词 柔性航天器 姿-轨-结构动力学 李群SE(3) 预设性能控制 预定义时间控制

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带挠性伸展太阳帆板航天器的姿态动力学

15

作者 程绪 铎 《吉林大学学报（理学版）》 CAS CSCD 北大核心 2004年第3期427-432,共6页

利用动量矩定理推导出带挠性伸展太阳帆板航天器的姿态动力学方程,利用牛顿第二定理推导出挠性板上质量微元的动力学方程.在板等速伸展的情况下对系统动力学方程进行变换,得到板伸展运动、振动与航天器姿态运动的耦合微分方程.用Runge K... 利用动量矩定理推导出带挠性伸展太阳帆板航天器的姿态动力学方程,利用牛顿第二定理推导出挠性板上质量微元的动力学方程.在板等速伸展的情况下对系统动力学方程进行变换,得到板伸展运动、振动与航天器姿态运动的耦合微分方程.用Runge Kutta积分法对方程进行积分,给出了板等速伸展时板振动振幅、航天器姿态角速率对时间的响应. 展开更多

关键词 航天器 姿态动力学 挠性伸展板

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