哈尔滨工业大学力学中的数学方法课程思政教学研究

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上发表的重要讲话明确指出,高校立身之本在于立德树人。因此,高校要坚持把立德树人作为中心环节,将思想政治工作贯穿教育教学全过程,实现全程育人、全方位育人,努力开创我国高等教育事业发展新局面。力学中的数学方法课程涉及固体力学、流体力学等多个领域,具备基础性强、覆盖面广、课时较长等特点,有利于从知识结构、思想教育方面对学生进行教育。该文针对力学中的数学方法课程所蕴含的思政要素和德育功能进行挖掘、提炼,从教学内容、教学设计、教学方法等方面进行构思设计,旨在通过该课程推进人才全面培养,助力一流学科建设。

硕博共选课程力学中的数学方法教学改革研究——以哈尔滨工业大学为例

力学中的数学方法是运用数学理论知识计算、分析力学在实际工程中的应用的课程,是对复杂、大型工程结构进行严密和精确的强度、刚度和稳定性分析必备的基础理论,更是解决航空航天等领域求解更复杂的相关力学问题的重要研究前提。我国深入实施科教兴国战略、人才强国战略,随着时代进步,社会对人才的需求正在发生变化,人才培养要求不仅具备扎实的理论基础,而且能够解决实际工程问题。据此,该文针对力学中的数学方法课程进行一系列的教学改革,主要包括教材及课程内容改革、教学方法改革、教学手段改革等,旨在提升课程的应用性,理论与实际应用并重,切实提高学生综合能力和创新能力。

完善育人体系 提高教学质量——以哈尔滨工业大学航天学院育人体系建设的探索为例

本文结合我国高等教育的发展需求与哈尔滨工业大学航天学院自身发展的定位,首先介绍了对育人体系建设的几点认识,然后分别从育人模式、课程体系建设、育人文化建设和育人管理体制与运行机制建设等方面介绍了航天学院在完善育人体系,提高教育质量上的一些做法和取得的成效。

航天工程领域创新人才培养模式探索——以哈尔滨工业大学“创新工场”为例

哈尔滨工业大学结合航天优势,探索航天工程领域创新人才培养模式。深入开展航天创新人才培养实践,开设紫丁香学生微纳卫星创新工场(以下简称“创新工场”)。“创新工场”依据“兴趣驱动、自主学习、重在过程、分级培养”原则,以学生管理团队为主进行日常运营与管理,以教师指导团队为辅进行监督与保障,从大学生创新队伍培养、国际交流合作、多校区协同培养等方面予以实施,旨在为我国高校工程领域领军人才与高水平创新人才培养提供参考。

航空宇航学科创新型人才培养模式探索——以哈尔滨工业大学为例

基于项目的学习方法,探索航空宇航学科创新型人才培养的新模式.结合哈尔滨工业大学航空宇航科学与技术学科的定位、目标和特色,分别与课程和项目密切结合,采用教学计划内和教学计划外两种途径,在本科生和研究生中实施基于项目的培养模式,并通过紫丁香微纳卫星学生团队、社会实践以及创新创业大赛的成果体现出所提培养模式的应用成效.

航天拔尖人才特色班培养模式探索与实践——以哈尔滨工业大学“小卫星班”为例

哈尔滨工业大学针对我国航天领域高层次复合型人才的迫切需求,开设了院士担任班主任的特色班“小卫星班”,采用航天精神引领、多学科知识复合教学及航天工程实践教学融合的教学模式,致力于培养新时代的航天拔尖人才及战略科学家。思政教育方面,通过爱国主义教育,邀请航天总师座谈,充分依托“航天魂”“航天行”等思政实践活动,树立“爱党爱国、航天报国”信念;培养体系方面,实施“航天引领、专业任选”的知识复合型人才培养模式,采用本研一体、项目驱动的个性化课程培养体系,设置贯通式课程,实现多学科知识的融合教学与实践;素质能力方面,将航天工程组织管理与研制模式有机融入人才培养体系,依托紫丁香卫星创新工场,团队协作开展项目实施,使学生在航天高标准工程项目中锤炼能力。

中国航天工程视角下的大学物理课程思政建设探索与实践

新时代加强和改进思想政治工作需要教育工作者以立德树人为根本任务,坚持守正创新。本文立足于中国航天工程视角,在哈尔滨工业大学勇担中国航天第一校尖兵重任的背景下,以新角度设计大学物理学的课程思政,进行探索与实践。提出了中国航天工程视角下,大学物理课程思政的“三线”设计。并围绕“X+工程线”的课堂教学模式,给出气体专题、电磁波与量子力学专题的两个课程思政实践案例,为大学物理课程思政的设计引出更宽阔的道路。

基于事件触发的预设时间航天器轨迹跟踪控制

针对通信受限条件下的航天器轨迹跟踪问题,提出了一种基于事件触发的预设时间控制算法。为了满足不同任务场景下对航天器快速性的要求,本文设计了一种预设时间轨迹跟踪控制算法。结合反步控制理论及预设时间动态增益,最终实现轨迹跟踪系统的预设时间收敛。作为一种典型的网络化控制系统,航天器在执行任务过程中可能会受到自身通信能力的限制,造成通信阻塞、时延和丢包等问题。为此,本文提出了一种基于动态参数的事件触发算法,在保证系统控制精度的同时,一定程度上避免了控制中心与航天器本体间不必要的通信资源消耗。相比于传统的静态事件触发算法,文中基于动态参数的事件触发算法在减少通信频率方面更具优势。通过理论分析和仿真实验验证所提控制算法的有效性。

航天器虚拟仿真实践课程创新设计与应用——以哈工大小卫星班贯通式课程为例

针对我国高校航天专业人才培养过程中存在的问题,哈尔滨工业大学小卫星班面向大三本科生开设了仿真实践类专业课《航天器与自主智能系统创新设计》,创新性提出并形成了SpaceSim软件官网开放社区学习模式和自媒体自我创作型学习模式,采用案例式教学,从姿轨控与空间环境等基础知识到通导遥载荷特性等应用知识,利用国产航天器系统仿真软件SpaceSim编制了40个仿真案例并上传至软件官网开放社区,建立了师生之间、学生之间、同行之间的学术交流平台,促进和激发了学生们同团队教师在线研究和探讨仿真实验问题的兴趣,提高了授课质量。课程以学生提交的大作业为考核项目,提出“自主进阶式任务想定”教学模式并引入自媒体评价机制,学生通过自媒体展示和讲解自己的大作业,锻炼了学生的项目构建与表达能力,有效提升了学生完成作业的积极态度与认真程度,对提升授课效果起到了重要作用。最后,该课程的授课模式、课程内容以及仿真工具已被其他高校航天专业课以及空天智能应用挑战赛所借鉴和采用,验证了该课程创新设计理念的应用实践性与有效性。In view of the problems existing in the training process of space professionals in Chinese universities, the small satellite class of Harbin Institute of Technology opened a professional course of simulation practice “Innovative Design of Spacecraft and Autonomous Intelligent System” for junior undergraduates, and innovatively proposed and formed the SpaceSim open community learning model and the self-creative learning model of we-media, using case teaching. From the basic knowledge of attitude and orbit control and space environment to the application knowledge of communication, navigation and remote sensing load characteristics, 40 simulation cases were compiled by SpaceSim, a domestic spacecraft system simulation software, and uploaded to the open community of the software’s official website, establishing an academic exchange platform between teachers and students, students and peers, which promotes and stimulate students’ interest in online research and discussion of simulation experiments with team teachers, and improves the quality of teaching. The course takes the large assignments submitted by students as assessment items, proposes the teaching mode of “independent advanced task planning” and introduces the we-media evaluation mechanism. Students display and explain their large assignments through we-media, which exercises students’ ability of project construction and expression, effectively improves students’ positive attitude and seriousness in completing assignments, and plays an important role in improving the teaching effect. Finally, the teaching mode, course content and simulation tools of this course have been used for reference and adopted by other aerospace professional courses in universities and Space Intelligence Application Challenge competitions, which verifies the application practicability and effectiveness of the innovative design concept of this course.

不完全信息Epsilon纳什均衡的航天器末端追逃博弈策略

针对不完全信息下的航天器末端追逃问题,提出了一种满足Epsilon纳什均衡的微分博弈控制策略。首先,建立了完全信息下的有限时间追逃纳什均衡策略对,并将其作为目标航天器实际采取的控制策略,使目标航天器掌握博弈进程的完全信息,进而获得更好的逃逸性能。在此基础上,考虑拦截航天器不能获取目标控制矩阵信息的态势,设计了基于广义卡尔曼滤波的行为学习信息估计算法,使拦截器能够对目标的不完全信息进行估计,并提出了不完全信息下的末端追逃博弈控制策略。经过理论分析,证明了所设计的不完全信息下微分博弈策略对满足Epsilon纳什均衡。最后,仿真结果表明该算法可以有效估计目标的不完全信息,确保拦截器能够在有限时间内快速拦截目标。

航天器大功率固态配电关键技术研究

大功率固态配电需要解决在开关过程中电压变化率和电流变化率较高的问题,抑制在短路保护过程中功率管漏极和源极存在的振荡和高电压应力。采用“慢开通,慢关断”的控制方式,降低了开通和关断过程中的电压和电流变化率。通过降低关断过程中电流变化率和增大振荡回路阻尼的方法,抑制了短路保护关断过程中功率管漏源电压应力和振荡。在此基础上,研制了160 V/200 A固态配电样机,实验验证表明所采用的方法是有效的。该方法提高了大功率负载的配电可靠性,可为大功率固态配电在航天领域的应用提供参考。

一种超参数自适应航天器交会变轨策略优化方法

利用强化学习技术,本文提出了一种超参数自适应的燃料最优地球同步轨道(GEO)航天器交会变轨策略优化方法。首先,建立了GEO航天器交会Lambert变轨模型。以变轨时刻为决策变量、燃料消耗为适应度函数,使用改进式综合学习粒子群算法(ICLPSO)作为变轨策略优化的基础方法。其次,考虑到求解的最优性和快速性,重新设计了以粒子群算法(PSO)优化结果为参考基线的奖励函数。使用一族典型GEO航天器交会工况训练深度确定性策略梯度神经网络(DDPG)。将DDPG与ICLPSO组合为强化学习粒子群算法(RLPSO),从而实现算法超参数根据实时迭代收敛情况的自适应动态调整。最后,仿真结果表明与PSO、综合学习粒子群算法(CLPSO)相比,RLPSO在较少迭代后即可给出适应度较高的规划结果,减轻了迭代过程中的计算资源消耗。

小推力航天器逃离太阳系的引力辅助轨迹设计

针对太阳系边界探测,利用形函数轨迹优化算法快速生成连续小推力航天器引力辅助逃离太阳系的三维轨迹,实现在有限燃料条件下的超远距离探测。通过对比有无引力辅助设计的仿真结果,证明了引力辅助技术在逃离太阳系过程中的有效性。仿真结果表明,基于贝塞尔形函数方法的连续小推力轨迹优化算法可以高效地设计出引力辅助逃离太阳系的合理三维初始轨迹,对于初始探测任务的快速设计和分析具有重要意义。

应用变速控制力矩陀螺的航天器姿态自适应控制

为提高敏捷挠性航天器在轨连续机动的快速性和高稳定性,应用变速控制力矩陀螺(variable speed control moment gyroscopes,VSCMGs)作为姿态控制执行机构,提出了一种将观测器与自适应控制结合的姿态控制律与VSCMGs复合操纵律。考虑到机动过程中挠性模态及精确惯量不可知,采用模态观测器和转动惯量估计器对不可测的状态或参数进行辨识,辨识结果用于精确估计前馈补偿力矩,利用Lyapunov分析方法证明了闭环控制系统的稳定性。鉴于VSCMGs实际使用的力矩分配能力、避奇异能力、轮速平衡能力与末态框架角定位能力,分别设计了加权伪逆操纵律与3种对应的零运动。基于雅可比矩阵条件数提出了末态框架角的优选方法,给出了VSCMGs零运动在机动过程不同阶段的部署方案。结果表明:通过连续姿态机动数值仿真验证了所提算法的有效性;VSCMGs在连续机动过程中平滑切换模式,在不同的机动阶段实现了相应功能。模态观测值和惯量估计值在多次机动后收敛至真值附近,经过参数辨识后的控制器使航天器在机动末端更快更稳地达到指向精度要求。

航天器姿态控制群体博弈分布式分配方法

针对由多个细胞星构成的组合卫星的姿态控制问题,提出了一种包含控制力矩计算层与冗余力矩分配层的双层姿态控制方法。将细胞星间的冗余力矩分配问题转化为群体博弈的策略选择问题,综合考虑能量消耗、飞轮输出力矩裕度和飞轮角动量裕度设计收益函数,以力矩分配系数作为群体质量,以细胞星作为策略建立群体博弈模型。考虑群体演化中模仿和比较形成的不同演化策略,分别采用Smith动力学以及复制器动力学修订协议求解博弈的Nash均衡解,并利用有限制策略的群体博弈理论形成分布式冗余力矩分配方式,得到各个细胞星的控制策略。最后通过仿真实验验证了此分配方式的有效性。

喷气驱动航天器姿态控制强化学习算法及实验

针对喷气驱动航天器在推力幅值受限条件下的姿态控制问题,提出一种姿态控制强化学习算法。该算法包含两个神经网络,即控制策略网络和李雅普诺夫神经网络。其中,控制策略网络直接以喷气推力器的推力作为输出,训练数据中推力满足幅值约束条件,隐式地解决推力分配优化和控制量饱和问题;设计姿态控制强化学习算法,并引入基于样本数据的航天器姿态稳定性定理,保证学习得到的控制策略的稳定性。仿真结果表明,与主流的强化学习算法和传统姿态控制方法相比,所提出的姿态控制算法在敏捷性方面表现出显著优势。此外,将控制策略移植到半物理仿真平台,控制策略能够有效完成航天器的大角度机动任务,从而证明了通过所提出的姿态控制算法训练得到的控制策略具有良好的泛化性和鲁棒性。

航天器姿态受限的协同势函数族设计方法

提出一种考虑航天器姿态约束的协同势函数设计方法,在姿态全局收敛的同时,保证姿态在机动过程中始终满足姿态约束.首先,建立航天器姿态指向约束模型,并针对每一个指向约束设计软约束区域;然后,基于“角度扰动”方法设计协同势函数族;接着,通过设计协同势函数族内函数切换规律,在软约束区域内构建满足姿态约束的势函数,并给出区域内势函数临界点分布的调整方法;最后,将所得的势函数用于航天器的避障控制,以比例-微分控制为例,通过数值仿真,验证该方法的有效性.

复杂约束下航天器高效机动路径规划和时域调节方法

针对复杂约束下航天器大角度姿态机动问题,提出一种基于三维特殊正交群的姿态高效机动路径规划和时域调节方法。针对航天器大角度机动过程中的姿态约束问题,设计了基于梯度的避障策略,得到了虚拟时域中的姿态路径和期望角速度。为了满足执行机构最大输出力矩约束,提出了迭代非线性时域调节方法,通过时间缩放得到了满足控制力矩约束的高效机动角速度/控制力矩。仿真结果表明,该方法在满足航天器姿态机动过程中姿态约束和控制力矩约束的同时,相较现有同类方法,显著缩短了机动时间,为受约束的航天器高效机动规划与控制提供了新的思路。

柔性航天器的H_(∞)状态反馈控制器设计

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。

基于任务效能评价张量进化的航天器任务规划

航天器在空间探索时需要面对各种多任务场景,复杂的任务耦合关系和航天器轨迹约束给任务规划带来困难。本文提出了基于任务效能评价张量进化的航天器任务规划方法,利用张量形式来描述任务规划中任务点间转移轨迹与前序任务集的耦合关系,精确地评价不同任务规划方案下的转移轨迹代价和任务收益,从而有效地提高了任务规划效能,并极大缩减了任务规划的计算量。