利用压电元件的空间挠性结构振动主动控制研究

挠性结构是一种典型的空间结构形式,这种结构有模态频率低、模态密集和阻尼小的特点,在外界扰动下易引起振动,对航天器的定位精度和精密仪器的正常工作造成影响,但传统的被动振动控制方法难以奏效。基于压电元件的振动主动控制是最有潜力的一种振动抑制方法。本文模拟空间结构制作一挠性梁,通过实验分析和压电传感器／驱动器布置位置和数量的优化设计,采用独立模态方法对梁的振动进行控制,取得了良好的抑振效果。     

压电机敏结构振动响应的多通道自适应控制

论述了实现结构振动控制的多通道自适应滤波前馈控制方法,对自适应控制系统进行了研究与开发;在此基础上,对一压电机敏平板结构振动响应进行了多通道自适应控制实验,取得了良好的抵消振动效果。     

挠性结构的输出反馈低阶自适应控制

在模型参考自适应方法的框架上,研究了挠性空间结构的输出反馈鲁棒自适应控制方法,对其稳定性与动态性能进行了理论分析,该方法通过在标准控制律中增加控制补偿项,利用挠性结构的特点,将所能容许的乘性模型不确定性的H∞范数提高到接近1的程度,控制系统的动态性能可由控制器的设计参数调节.对该方法进行了数值实验验证.     

基于路径规划的挠性航天器姿态自适应控制

针对挠性航天器存在动力学参数不确定性以及三轴非线性强耦合的特点,提出了一种基于余弦函数路径规划的姿态自适应控制方法。首先,分析挠性航天器动力学模型,给出了其姿态控制系统的总体结构;然后,为有效抑制挠性附件振动对控制性能的影响,设计了一种余弦角加速度姿态路径规划方法对指令信号进行柔化,以减少指令信号中的高频成分;最后,将柔化指令信号作为控制系统的期望输入信号,并采用基于多输入多输出特征建模理论,设计了姿态自适应跟踪控制器。通过MATLAB/Simulink仿真,验证了所提姿态控制策略的有效性。     

挠性悬臂板的变结构控制研究

针对航天器太阳帆板这种悬臂外伸薄板结构的挠性附件,在存在建模参数不确定及外部扰动条件下所引起的振动,本文采用压电致动片作为执行器,将变结构控制应用于板的主动振动控制。通过仿真研究结果与应变律反馈控制比较,可知变结构控制具有较强的鲁棒性,同时控制器结构简单,易于实现。     

挠性智能梁的振动控制

研究采用共位配置的压电敏感器和致动器的挠性是臂梁的振动控制问题,建立了智能梁的模型,设计了一种线性反馈控制律,并应用无空维空间的ＬａＳａｌｌｅ不变原理和线性半群理论证明了当敏感器和控制器的分布使得系统能镇条件成立时,所设计的控制抑制了梁的振动。     

挠性结构中智能材料配置和振动控制的一体化最优设计

针对挠性结构振动控制中智能材料的特性，综合考虑压电敏感器／致动器的位置、尺寸、质量及其对挠性结构刚度特性的影响和控制律，建立系统状态空间模型，提出一种新的优化配置的性能指标和最优设计方法。运用李雅普诺夫稳定性定理证明了闭环系统的全局渐近稳定性，性能指标的最小值可取为相应矩阵的迹而不依赖于系统的初始状态。采用遗传算法寻优，仿真表明该设计方法能够快速的抑制系统的振动。     

压电智能挠性悬臂板主动振动控制试验研究

航天器上太阳帆板这种悬臂外伸薄板结构的挠性附件，存在有扰动条件下引起的振动，可采用压电智能结构对悬臂板进行主动振动控制。文章对设计的挠性悬臂板系统进行系统辨识，得到板系统的前三阶模态频率及阻尼比，并采用PD控制和PPF控制算法对板的前三阶模态(包括弯曲模态和扭转模态)进行主动振动控制。试验结果表明，采用压电智能结构可以抑制挠性悬臂板的振动．效果明显。     

基于特征模型的柔性结构直接自适应模糊预测控制

为了避免用模态截断方法设计控制器时所引起的控制和观测溢出问题,把柔性结构模型转化为用含有未知系数的二阶差分方程描述的特征模型,对此模型提出了当柔性结构实现位置保持时的直接自适应模糊预测控制方法.此方法直接利用模糊逻辑系统设计预测控制器,并基于广义误差估计值对控制器参数和广义误差估计值中的未知向量进行自适应调整.文中证明了所设计的控制器可使广义误差估计值收敛到原点的一个小邻域内.仿真结果验证了此方法的有效性.     

带有挠性附件卫星的自适应内模控制

挠性部件诱导的振动干扰有时严重影响大型卫星姿态指向和稳定度。为了保证姿态控制的高精度和高稳定度,本文导出了带有“拍打”运动的挠性卫星数学模型,并指出模型的不确定性;给出了卫星姿态控制器的基本形式,分析了控制器参数的选取准则以保证姿态控制系统的稳定性;进而利用在轨辨识在线修正控制器参数形成了卫星姿态的自适应内模控制器。分析和实验表明,本文提出的自适应内模控制器能够有效提高大型卫星的姿态指向精度和稳定度。     

柔性卫星系统的振动自适应边界控制

针对受外部干扰和具有结构参数不确定性的柔性卫星系统,为了抑制其振动和避免控制溢出问题,采用Hamilton变分原理和Euler-Bernoulli梁理论建立了结构无穷维偏微分方程模型,随后基于该无穷维模型设计了带有干扰自适应律的自适应边界控制对柔性卫星振动进行主动控制,并证明了闭环柔性卫星控制系统解的存在性、唯一性和收敛性.最后,仿真结果验证了所设计的自适应边界控制算法的有效性.     

柔性机械臂的变结构振动控制研究

当机械臂的质量很轻,尤其是空间应用场合,机器人系统将受到高度柔性限制并且不可避免地产生机械振动.本文为了证实提出的控制不期望残余振动的方法,设计并建立了柔性机器人实验平台.控制方案采用交流伺服电机通过谐波齿轮减速器驱动柔性机械臂,利用粘贴在柔性臂上的压电陶瓷片(PZT)作为传感器来检测柔性臂的振动.对由于环境激励,尤其是在电机转动(机动)时由于电机力矩产生的振动,采用了几种主动振动控制器包括模态PD控制,软变结构控制(VSC)和增益选择变结构方法,进行柔性臂的振动主动控制实验研究.通过实验比较研究,结果表明采用的控制方法可以快速抑制柔性结构的振动,采用的控制方法是有效的.     

基于一阶特征模型的自适应跟踪控制方法

基于特征建模理论, 针对一类可由一阶特征模型描述的被控对象, 设计一种新的自适应跟踪控制方法. 通过参数整合, 将系统特征压缩到一个时变参数中, 进一步减少需估计的参数, 更利于工程应用. 利用李雅普诺夫方法, 分析闭环系统的稳定性. 最后, 通过数学仿真验证了所提出方法的有效性.

     

大柔性飞行器的自适应姿态控制设计

研究系统存在不确定性的大柔性飞行器的姿态跟踪控制问题.针对高阶大柔性飞行器模型,使用平衡实现方法对其降阶,并通过奇异值对比分析系统降阶前后特性.基于降阶模型,设计LQR-PI控制器作为基线控制器.考虑不确定性,利用李雅普诺夫稳定性理论设计模型参考自适应控制器,并对比两种方法的控制效果.仿真结果显示,所提方案对包含不确定性的系统具有较好的控制效果,能使系统完成期望的姿态跟踪目标.     

Active vibration isolation based on model reference adaptive control

High-performance instruments are very sensitive to vibrations and jitters. In this article, a new approach towards multi-degree-of-freedom (DOF) active vibration isolation and its application in spacecraft jitter suppression are presented. Model reference adaptive control (MRAC) with acceleration feedback is used to isolate random disturbances. However, a side effect of this algorithm is that displacements at low frequencies are amplified. Thus, the MRAC is augmented with proportional–integral–differential (PID) displacement feedback to suppress vibration displacements. The MRAC-PID composite control is applied to a 4-leg platform to isolate vibrations and suppress tip/tilt jitters. The scheme is also used to isolate 6-DOF vibrations and steer the payload of a flexible spacecraft. Satisfactory performance of vibration isolation and jitter attenuation has been observed.     

压电复合梁高阶有限元模型与主动振动控制研究

大型柔性空间结构的振动控制问题引起了广泛的关注.压电材料以其低质量、宽频带和适应性强等特点,非常适合于柔性空间结构的振动控制.本文针对上下表面粘贴有分布式压电传感器和作动器的智能层梁结构,提出了一种考虑压电材料对结构质量、刚度影响的高阶有限元模型.考虑到空间结构可能承受较大的热载荷,在模型中计及了压电材料的热电耦合效应.采用常增益负反馈控制方法、常增益速度负反馈控制方法、Lyapunov反馈控制方法和线性二次型调节器方法(LQR)设计主动控制器,实现了智能层梁结构脉冲激励下的振动主动控制.仿真结果表明,LQR方法更能有效的实现结构振动控制,并且具有更低的作动器峰值电压,但不能消除热载荷引起的结构静变形.     

三轴稳定挠性卫星姿态机动时变滑模变结构和主动振动控制

针对带有控制受限的挠性卫星的姿态机动和振动控制问题, 给出了一类仅利用输出信息的变结构控制和 基于智能材料的主动振动控制技术相结合的复合控制方法. 首先给出变结构姿态控制器的设计来完成卫星姿态机动, 并给出一种切换机制以实现挠性卫星快速姿态机动; 其次, 采用分布式压电元件作为作动器, 设计了应变速率反馈补偿器以增加挠性结构的阻尼, 使其振动能够很快衰减. 最后, 将本文提出的方法应用于三轴稳定挠性卫星的姿态机动控制, 仿真结果表明: 在推力器的控制受限条件下, 完成姿态机动的同时, 有效地抑制挠性附件的振动.     

带挠性伸杆机构小卫星的复合振动控制

为了满足空间探测任务的要求,需采用轻质的伸杆机构支撑各类探测载荷远离卫星本体以避免平台剩磁对空间测量信息的干扰,而挠性伸杆的弹性振动会耦合影响到卫星本体,从而降低卫星本体的姿态控制精度.考虑到挠性附件振动的复杂性及其对航天器本体的耦合影响,采用最优指令整形抑制挠性伸杆的低阶模态振动,并在本体控制中设计自适应扰动抑制滤波器进一步抵消挠性伸杆的残余振动对本体的干扰作用.仿真结果表明,此复合振动控制方法可显著的提高此小卫星的姿态控制精度.