基座弹性影响下空间机械臂的轨迹跟踪控制及弹性振动主动抑制

讨论了基座存在弹性情况下,载体位置无控、姿态受控的漂浮基空间机械臂惯性空间轨迹跟踪控制及基座弹性振动主动抑制问题.由系统位置几何关系及动量守恒关系,建立了系统运动Jacobi关系;之后利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系建立了系统动力学方程.基于奇异摄动理论的两种时间尺度假设,将该方程分解为描写系统刚性运动的慢变子系统与描写系统弹性振动的快变子系统.对慢变子系统设计了基于计算力矩法的轨迹跟踪控制器;对于快变子系统则设计了线性二次最优控制方案.数值仿真证实了提出的控制方法的有效性.

柔性空间机器人基于关节柔性补偿控制器与虚拟力概念的模糊全局滑模控制及振动主动抑制

空间机器人系统的柔性主要体现在空间机器人的臂杆和连接各臂杆之间的铰关节;由于空间机器人系统结构的复杂性,以往研究人员对同时具有柔性关节和柔性臂的系统关注不够;为此讨论了参数不确定情况下柔性关节、柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动控制方案设计和以及臂、关节双重柔性振动的分阶主动抑制问题。依据线动量、角动量守恒关系并基于拉格朗日方程、线性扭转弹簧及假设模态法推导了系统动力学模型;以此为基础;针对空间机器人实际应用中各关节铰具有较强柔性的情况,引入了关节柔性补偿控制器并结合奇异摄动技术将整个系统分解成独立时间尺度的电机力矩动力子系统和柔性臂子系统;针对电机力矩动力子系统,设计了力矩微分反馈控制器来抑制关节柔性引起的系统弹性振动;针对柔性臂子系统,提出了一种基于虚拟力概念的自适应模糊全局滑模控制方案,由于运用了虚拟力的概念,从而通过仅设计一个控制输入就可达到既跟踪期望轨迹又抑制柔性臂柔性振动的控制目标。计算机数值仿真对比实验证实了该方法的可靠性和有效性。

柔性航天器振动主动抑制及姿态控制

针对柔性航天器柔性附件振动主动抑制及姿态高精度快速稳定问题,研究了一种输入成形器(IS)-自适应有限时间干扰观测器(FDO)-有限时间积分滑模控制器综合的设计方法。首先,基于柔性模态的频率及阻尼信息,获得能够有效抑制柔性振动的输入成形器形式,并与系统参考输入进行卷积,得到期望参考输入;其次,基于航天器动力学模型,设计一种新型的自适应有限时间干扰观测器,避免了综合干扰上界必须已知的约束,且保证干扰估计误差有限时间收敛至零,实现对干扰及残余振动影响的快速精确估计;最后,基于观测器的估计值,设计多变量有限时间积分滑模控制器,保证对期望参考输入的高精度快速跟踪控制,并进行严格的稳定性证明。仿真结果表明,该综合设计策略能够保证柔性附件振动抑制75%,姿态稳定度达到10^(-4)数量级。

基于动态输出反馈的挠性航天器主动振动抑制

针对航天器三轴同时姿态机动时挠性附件的振动抑制问题,提出了基于动态输出反馈控制的主动振动抑制方法。采用拉格朗日方法和四元数参数化建立了挠性航天器的非线性模型。利用航天器姿态控制问题固有的无源性,设计了1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动态控制规律,并采用压电作动器来抑制挠性结构的振动。基于Lyapunov方法证明了所设计的动态控制器保证了姿态的渐近稳定和模态的振动的衰减。仿真结果表明了所提出的控制方法的可行性和有效性。

应用分力合成主动振动抑制方法的最优飞行器大角度机动控制策略

针对当代带大型挠性附件的空间飞行器 ,提出了分力合成主动振动抑制方法 ,并且分析了方法的鲁棒性。该方法可以保证挠性飞行器在实现指定的刚体运动的同时 ,抑制掉对系统影响较大的挠性振动模态 ,对频率不确定性的鲁棒性使得该方法易于工程实践。对于使用常幅值力矩喷气执行机构的航天器 ,设计了应用分力合成方法的时间—燃料最优机动控制律 ,数值仿真结果验证了方法的有效性。

挠性结构的输入成形与分力合成主动振动抑制方法研究

研究了 2种挠性结构的主动振动抑制方法——输入成形法与分力合成法。对 2种方法的基本原理、应用形式和对参数变动的鲁棒性进行了综合分析与比较 ,指出了它们之间的相同点和不同点。

基于PWM的挠性航天器分力合成主动振动抑制方法

分力合成主动振动抑制方法可以有效抑制挠性振动.其利用几个相同或相似的随时间变化的分力,按一定的规律沿时间轴排列合成为合力作为系统输入,此合力可以在保证完成规定刚体运动的同时抑制掉指定的任意阶振动谐波.对于使用常幅值力矩喷气执行机构的航天器,应用脉宽调制(PWM)技术将符合分力合成方法的时间最优机动控制指令变化为常幅值力矩形式,设计出常幅值的时间最优大角度机动策略.数值仿真结果证实了方法的有效性.

星载大型反射面天线主动振动抑制建模分析方法

为研究抑制星载大型反射面天线的在轨振动,文章给出一种基于压电材料的天线臂主动振动抑制建模分析方法。该方法基于整星刚柔耦合动力学模型,通过将压电材料的应力等价为内力矩,应变等价为位移差分,获得卫星动力学、振动抑制与姿态控制的解析式耦合计算模型,进而预测振动抑制后的天线振动传递特性和响应。以某带大型反射面天线的卫星为例,分别从压电材料布局和计算边界条件角度给出主动振动抑制的时域、频域分析结果,并进行对比。分析结果表明:文章所提出的方法能够实现压电材料在天线臂上的布局优化以及获知天线臂主动振动抑制效果。

卫星姿控系统的滑模容错控制及主动振动抑制

针对执行机构故障情况下挠性卫星姿态控制系统的容错控制及主动振动抑制问题,建立轨控推力扰动条件下含执行器故障的挠性卫星姿态控制系统模型,采用自适应控制方法设计该姿控系统的高阶滑模容错控制器,并在姿态稳定的基础上设计基于高阶滑模的补偿项以降低挠性振动对姿态精确度的影响。对轨控期间飞轮正常情形及故障情形下的挠性卫星姿态仿真结果表明,在卫星姿态控制系统存在干扰的条件下,该方法能实现对执行器故障的容错能力并能提高姿态控制精确度。

基于3UPU-3PUU型组合并联机构的主动振动抑制控制

并联机构的组成与串联机构不同,其支链运动副的顺序会发生改变,机构运动输出型式也会完全不同。利用部分支链重合及驱动运动副的锁死和放开,设计用于遥控操作精密手术及微创手术等医疗用途的新型组合并联机构,实现三微动和三平动运动输出以及机构操作过程的误差补偿和主动振动抑制控制。

挠性结构的分力合成主动振动抑制方法研究

针对当代航天器的大挠性特点和挠性附件的振动常影响航天器的姿态控制精度和指向精度的问题 ,全面分析了一种挠性结构的主动振动抑制方法———分力合成方法。分力合成方法的具体应用以若干个定理的形式加以总结。为了提高方法在工程实践中应用的可行性 ,又提出了改善方法对参数变动鲁棒性的定理并得到了严格的数学证明。数值仿真和地面试验进一步验证了该方法的有效性和简便性。

挠性航天器姿态机动和主动振动抑制控制

针对挠性航天器姿态机动控制和主动振动抑制问题,提出一种具有干扰抑制的自适应输出反馈机动主动振动抑制控制器设计方法。首先,利用挠性附件固有物理特性构造了一种结构简单的开环模态观测器,然后以此获得的模态估计信息及可测量的姿态四元数和角速度信息,基于自适应反步设计方法进行反馈控制器设计。设计中无需忽略挠性附件和中心刚体的耦合,且挠性模态振动抑制效果明显,保证了闭环系统在参数不确定存在和外部干扰作用下的姿态稳定鲁棒性,对外部干扰力矩具有L2增益抑制性能。通过理论证明和仿真研究证明了所设计控制器的有效性和可行性。

利用形状记忆合金的主动振动抑制

将具有特殊力学性能和物理性能的形状记忆合金埋入或粘贴在结构上,用于改变结构的自振频率,抑制共振现象。实验结果证明了它的可行性。

基于自适应模糊观测器的挠性航天器主动振动抑制方法研究

针对一类挠性航天器的柔性附件主动振动抑制问题,提出了自适应模糊观测器及变结构反馈控制律的设计方法。所设计的观测器是一种非线性广义Luenberger自适应观测器,采用模糊系统逼近非线性函数,并不需要引入航天器本体姿态信息,结构简单。最后通过数字仿真验证了该方法的有效性。

基于重复自抗扰控制的索网天线振动抑制

为解决索网天线在轨运行过程中的振动抑制问题,提出一种基于重复自抗扰复合控制器的主动振动控制方法。首先,使用有限元法建立天线型面的振动动力学模型,基于模态截断的方法对动力学模型进行降阶并转化为状态空间方程的形式。然后,基于能量最小化准则,使用遗传算法对传感器/作动器的位置进行优化。最后,设计了基于线性自抗扰控制的天线型面振动主动抑制算法,并在此基础上设计前馈重复控制算法,通过对反馈控制周期性误差的学习,提高控制器抑制周期性扰动的能力。仿真结果表明,相比无控状态时,所提出的控制方法可将型面扰动降低97.0%,振动抑制效果优于PID控制器。所设计的控制方法为天线型面的振动控制提供了一种新的技术手段。

大型挠性天线的主动振动抑制与相对位置控制

在微波遥感卫星上应用长基线的雷达干涉仪需要对大型挠性天线进行快速的主动振动抑制与高精度相对位置控制,传统的星体姿态控制和阻尼机构已无法满足任务的快速性和高精度要求.提出一种以高精度相对位姿测量相机为传感器、以高带宽执行的主动指向超静平台为执行机构的主动振动抑制与相对位置控制系统,开展了动力学建模、控制器设计和数学、物理仿真试验研究.该系统中相机测量天线末端的位移,而主动指向超静平台在天线的根部施加控制作用,因此控制回路具有异位控制的特点.为此,提出了一种能够实现天线载荷主动振动抑制和位置控制的控制器,其能够为天线的一阶挠性模态提供阻尼作用,同时保持高阶模态的稳定.控制器具有积分控制+结构滤波器的形式,也可被解释比例-积分-微分控制器+低通滤波器.在该控制器的基础上,进一步设计了星体-载荷两级控制回路.通过数学仿真和全物理仿真试验对设计的控制系统在主动振动抑制和位置控制任务中的有效性进行了考核,仿真和试验结果表明,提出的控制方案和控制器能够将大型挠性天线的振动衰减时间缩短1~2个数量级,并为天线载荷提供快速、精确的位置调节能力.

斯特林制冷机自适应主动振动抑制算法研究

空间机械制冷机产生的振动会影响空间探测仪器对探测目标的分辨率和定位精度,是制约制冷机空间应用的一个关键因素。为了降低斯特林制冷机在应用中产生的振动,将自适应主动振动抑制算法引入到系统中。分析了目前采用的主动振动抑制算法的原理和优缺点,表明该方法依赖于减振制动器传递函数,因而稳定性、收敛性受传递函数误差的制约。基于延迟补偿修正filter-X结构和仿射投影算法提出了自适应主动振动抑制系统,该系统由控制器、振动传感器组成。仿真结果显示,相比于常用的控制方法,摆脱了减振器传递函数误差影响的制约,稳定性、收敛性和鲁棒性更好。

一种柔性可展桁架结构的主动振动抑制技术

针对柔性可展桁架结构的主动振动抑制问题,提出一种采用作动执行机构的主动振动控制方法。首先基于模态综合方法建立智能柔性可展桁架结构的动力学模型,然后采用动态滑模控制律设计了主动振动控制器,并基于遗传算法对作动执行机构的布局配置进行优化,最后通过数学仿真验证,仿真结果表明了方法的有效性。

一种主动抑制太阳帆板挠性振动的控制策略研究

为提升高分辨率遥感卫星姿态控制精度,对主动抑制太阳帆板挠性振动的控制策略进行了研究。建立了由卫星平台、步进电机和太阳帆板组成的系统耦合动力学模型,分析了该模型的频率和阻尼比耦合特性。基于输入成型技术零极点对消的抑制振动原理,提出了对帆板原始转速指令进行整型并补偿电机定位转矩的控制策略:根据获得的系统各阶振动频率和阻尼比,设计各模态ZVD输入成型器,所有成型器卷积成综合成型器,原始帆板转速指令先输入综合成型器再输入电机以抑制各模态振动。数学仿真验证了该策略的原理可行性,表明控制策略能有效抑制帆板的挠性振动,且对设计参数误差和模型参数变化具较强的鲁棒性,有一定的工程应用价值。

绳系太阳能发电卫星姿态机动的主动振动控制

针对绳系太阳能发电卫星大角度回转机动时太阳能板的振动抑制问题,提出了主姿态控制和基于绳中张力的主动振动控制技术相结合的复合控制方法。建立了绳系太阳能发电卫星系统的动力学方程,并基于任务函数控制算法设计了主控制器保证卫星姿态的渐近稳定和挠性结构振动的衰减性;考虑到绳的非线性特性,基于任务函数控制算法设计了绳系卫星系统的主动振动抑制辅助控制器来抑制挠性结构的振动。设计的同时证明了系统的稳定性。将该方法应用于绳系卫星的大角度单轴回转机动的仿真研究,结果表明:该方法不仅能够使绳系卫星完成姿态机动,而且能够有效地抑制太阳能板的振动。