大型空間結構在軌裝配中的協同自適應魯棒控制研究

《大型空間結構在軌裝配中的協同自適應魯棒控制研究》是依託大連理工大學,由吳志剛擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大型空間結構在軌裝配中的協同自適應魯棒控制研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：吳志剛

項目摘要

大型空間結構在軌裝配是在太空軌道中利用空間結構模組構建無法單次整體發射入軌的超大型空間結構，如空間太陽能電站和星際航行中轉站。控制技術是貫穿在軌裝配任務各個環節並決定任務成敗的關鍵要素。針對在軌裝配控制對燃料消耗、穩健性和自適應性的嚴格要求，本項目將研究大型空間結構在軌裝配的協同自適應控制方案。在建立大型空間結構的軌道、姿態與結構動力學模型基礎上，利用保結構多層次算法求解空間結構最優裝配路徑的在軌設計問題以減少協同控制系統的燃料消耗，然後設計空間結構裝配中的相對位置與相對姿態控制器以提高控制精度和效率；並在建立空間結構動力學參數在軌辨識方法的基礎上，研究抑制空間結構振動的自適應魯棒控制方法以提高在軌裝配控制系統的穩健性。最後通過對剛體運動和結構振動控制迴路的集成，完成在軌裝配自適應魯棒控制系統總體設計，為未來大型空間結構在軌裝配任務的實施提供性能穩健、節省燃料的先進控制方案。

結題摘要

大型空間結構在軌裝配是指在太空利用結構模組構建無法單次整體發射入軌的超大型複雜空間結構。在建立空間結構的動力學模型基礎上，利用保結構多層次算法求解了裝配路徑最優設計問題，在動力學參數在軌辨識方法研究的基礎上，研究了結構振動抑制和變形控制的魯棒控制方法。成果可以為未來大型空間結構在軌裝配任務的實施提供節省燃料、性能穩健的控制方案。具體研究成果包括：(1)柔性空間結構在軌機動過程是一類典型的剛柔耦合動力學問題。針對結構特點，選擇原點在結構質心的浮動坐標系作為輔助坐標系建立結構大範圍機動的運動學關係，將剛體運動和柔性振動進行區分，以便控制系統設計；基於Eulerian-Lagrangian混合描述方法建立系統大範圍機動的運動學關係，並利用Kane方程推導了結構的動力學方程，彌補了之前的動力學方程中彎曲剛度沒有充分考慮平動速度對其影響的問題。(2)針對非線性最優控制導出的Hamiltonian系統兩點邊值問題，提出一種以離散區段右端狀態和左端協態為混合獨立變數的數值求解方法，將非線性Hamiltonian系統兩點邊值問題的求解通過混合獨立變數變分原理轉化為非線性方程組求解。所提出的算法綜合了求解最優控制的“直接法”和“間接法”的特徵，既滿足最優控制理論的一階必要條件，又不需要對協態初值的準確猜測，避免了求解大規模非線性規劃問題。與近年來在航空航天控制中備受關注的高斯偽譜方法相比較，本文算法無論是在精度還是效率上都具有明顯的優勢。(3)考慮到大型柔性空間結構中存在的時變特性，研究了周期時變結構動力學參數的在軌辨識方法。利用周期時變子空間方法辨識得到了開環周期系統動力學參數；之後將截斷窗逼近冪疊代方法（TW-API）進行改進從而得到了一種新的開環遞推辨識方法；最後在原開環系統中加入狀態反饋使之成為閉環系統，使用閉環系統子空間方法有效地辨識得到了空間結構的模態參數和控制器增益參數。(4)針對柔性空間結構振動問題，設計了一種帶魯棒通控制器，該控制器通過巧妙設定干擾加權矩陣，可得到黎卡提方程的解析解，從而避免了對其數值求解，提高了計算效率，解決了高階弱阻尼性系統求解時存在的病態問題，實現了選擇頻寬控制。在柔性空間結構變形控制方面，對於通過模態截斷法降階的智慧型桁架結構有限元動力學模型，以振動幅值最小為性能指標設計了最優控制器，採用非線性規劃法對其求解，得到了結構變形的最優控制律。