超大柔性空间结构在轨动力学分析与振动控制

超大柔性空间结构的“超大”和“高柔性”特征给在轨动力学和控制带来了新的问题和挑战。本项目主要研究了超大柔性空间结构在轨动力学建模、响应特性分析、振动控制和形状控制问题，包括：（1）在超大柔性空间结构在轨动力学建模和机理分析方面，充分考虑重力梯度影响建立了千米量级哑铃模型的Hamilton体系的动力学模型；采用基于能量等效原理的连续体等效方法，建立了具有周期桁架结构空间太阳能电站的等效柔性梁模型；指出了重力梯度力矩经典近似模型的局限性并修正了近似模型；推导了Mathieu方程形式的模态振动方程，研究了不同初始姿态角下弯曲振动的稳定性。（2）在超大柔性空间结构在轨动力学特性分析方面，提出了Runge-Kutta 法和Newmark法同时迭代的高效数值方法，研究了太阳光压和热辐射等空间环境干扰下的在轨动力学响应特性，揭示了结构振动、姿态运动和轨道运动的耦合机理。研究发现，重力梯度力矩对姿态动力学影响显著，重力梯度力矩与结构尺寸的平方成正比。重力梯度使结构振动与姿态运动产生耦合，结构尺寸达到临界尺寸时系统出现不稳定现象。太阳光压主要影响轨道运动，对姿态运动和结构振动的影响在短期分析中可以忽略。热辐射主要影响结构振动，对轨道运动和姿态运动影响较小。（3）在大型柔性空间结构振动控制方面，发展了大型柔性空间结构转动惯量参数辨识方法研究，提出了基于摄影测量技术的结构动力学参数辨识方法，解决了大型柔性空间结构在轨动力学参数难以精确获取的问题，进而提出了大型柔性空间结构的分布式自适应模型预测振动控制方法，并发展了周期时变控制系统H2范数和Riccati微分方程的扩展精细积分算法，提高了鲁棒控制问题的求解精度和效率。（4）本项目还开展了大型空间智能结构高精度形状主动控制研究，提出了基于影响系数矩阵法的闭环反馈形面主动控制方法，搭建了格栅反射器形面主动控制实验验证系统，验证了形面主动控制方法的精度和有效性。 2100433B

空间太阳能电站是解决未来能源、环境和空间安全问题的重要途径，其千米量级尺寸的“超大”和“高柔性”特征给在轨动力学和控制带来了新问题、新特性和新挑战。本项目以此为背景开展超大柔性空间结构在轨动力学建模、计算、响应特性分析和振动控制研究。首先充分考虑重力梯度、太阳光压和热辐射等环境干扰、轨道偏心率和结构大变形的影响，基于Lagrange变分原理分层次地建立起体现力学结构基本特征的“柱、梁、板、壳”等超大柔性空间结构的在轨动力学模型；然后基于变分积分法构造高精度保辛数值算法，研究超大柔性空间结构在轨动力学响应新特性以及结构振动、姿态运动和轨道运动的耦合机理；最后根据响应特性和结构特点发展时变参数的在线估计方法，设计超大柔性空间结构振动的自适应鲁棒H∞控制系统。本项目的实施将为超大柔性空间结构在轨动力学和控制建立新模型、发展新方法、揭示新特性，为我国空间太阳能电站技术提供必要的技术储备和支撑。

本课题面向我国空间站以及未来其他大型航天器系统在轨建造与维护的需求，开展大型空间结构在轨装配的多臂空间机器人协调控制研究，包括：(1)建立柔性多臂空间机器人装配大型柔性结构过程中的变构型刚柔耦合动力学模型，分析各种构型下系统的动力学耦合特性，得出空间机械臂、载荷及其基座之间刚性运动、柔性振动等的耦合关系；(2) 提出多臂空间机器人在轨操作大载荷过程中，保持基座稳定的无奇异路径规划与控制方法；(3) 建立多臂传递大型挠性载荷过程中，机械臂末端与载荷的接触碰撞动力学模型，并提出利用双臂的协调运动最小化碰撞效应的路径规划与控制方法；(4) 提出双臂抓持挠性载荷形成闭链后双臂协调操作的轨迹规划与振动抑制方法。. 课题的研究顺应了我国大力发展空间机器人在轨服务技术的大方向，研究成果对于未来大型航天系统在轨组装、维护、拆解等任务，具有重要的理论和实际意义。

本课题开展了大型空间结构在轨装配的双臂空间机器人协调控制研究，取得了如下研究成果：（1）建立了柔性双臂空间机器人装配大型柔性结构过程中的变构型刚柔耦合动力学模型，并分析各种构型下系统的动力学耦合特性，得出空间机械臂、载荷及其基座之间刚性运动、柔性振动等关系；（2）提出了双臂空间机器人在轨操作大载荷过程中保持基座稳定的无奇异路径规划与控制方法；（3）建立了双臂传递大型挠性载荷过程中，机械臂末端与载荷的接触碰撞动力学模型，并提出利用双臂的协调运动最小化碰撞效应的路径规划与控制方法；（4）提出了双臂抓持挠性载荷形成闭链后双臂协调操作的轨迹规划与振动抑制方法；（5）建立了平面气浮台实验系统和空间半物理实验系统，对所提出的方法进行了实验验证。基于研究的成果，发表了学术论文34篇，其中SCI论文26篇、EI论文8篇；出版了学术专著1部；培养了博士后2名、博士研究生3名、硕士研究生3名。 2100433B

本项目以大型电子侦察卫星和通信卫星的索网式结构天线为研究对象，研究在轨环境下索网式空间结构变形控制的分布式主动控制理论和方法，并完成控制方法的实验验证。为新一代大型索网式星载天线结构设计和反射面变形的精准可靠控制提供理论基础和技术支撑。具体研究内容包括：建立面向分布式控制的索网式空间结构动力学模型；基于最优控制理论发展结构变形前馈控制方法；研究结构变形控制的分布式H2/H∞反馈控制方法；设计和搭建结构变形主动控制实验系统，并完成索网式结构变形分布式主动控制方法实验验证。