航天器姿态运动与太阳翼结构振动耦合分析及协同控制

发布时间：2019-02-24 12:32

【摘要】：柔性航天器通常安装有太阳翼,以提供航天器正常工作所需的能量。由于太阳翼弹性振动不可避免地与航天器姿态运动相互耦合,因此柔性航天器是典型的刚柔耦合系统。当前,为了使航天器具有更强的功能和更长的寿命,太阳翼的尺寸不断增大,这导致系统刚柔耦合效应愈发显著。值得关注的是,目前多数的柔性航天器动力学与控制研究还依赖于单独的太阳翼的模态(假设模态)。这类模态无法反映柔性航天器的刚柔耦合效应,导致相关的研究方法应用于安装大型太阳翼的航天器时,存在一定的不足。因此,发展柔性航天器刚柔耦合模态的获取方法,在此基础上深入开展航天器姿态运动与太阳翼结构振动耦合分析及协同控制研究,具有一定的理论意义和工程价值。本文以安装大型太阳翼的柔性航天器为研究对象,结合解析分析和数值仿真两种手段,提出了获取系统刚柔耦合模态的解析方法,并以此为基础,从固有特性、动力学建模及动力学特性、姿态运动-结构振动协同控制等方面进行了相关基础理论研究。主要研究内容及结论如下:提出了一种直接获取柔性航天器刚柔耦合模态的解析方法——采用一组统一的广义坐标描述航天器姿态运动和太阳翼弹性振动,然后使用边界条件联立求解航天器姿态运动常微分方程和太阳翼弹性振动偏微分方程,快速且准确地计算柔性航天器刚柔耦合模态的振型表达式和频率值。收敛性分析表明,随着模型维数升高,基于假设模态及有限元的离散模型计算的系统频率逐渐收敛于这种解析方法得到的频率精确值。相比于传统的假设模态建模方法,所得的刚柔耦合模态可用于建立航天器的低维高精度离散动力学模型,基于此模型设计的低维控制器能够在更短的时间内使用更少的能量完成航天器姿态运动-太阳翼结构振动协同控制的目标。基于柔性航天器的刚柔耦合效应,将航天器姿态运动表示为刚体模态(类比于太阳翼模态振型)与广义坐标(与太阳翼的相同)的乘积,拓展了广泛用于弹性体自由振动分析的Rayleigh-Ritz法,使其适用于“中心刚体-柔性梁/板”这类刚柔耦合系统的固有特性分析。拓展后的Rayleigh-Ritz法可以给出系统刚柔耦合模态的解析表达式,而且具有良好的收敛性和很高的计算精度。利用此方法,本文全面深入地分析了三轴姿态稳定航天器(安装有一对太阳翼)刚柔耦合模态的特性,给出了判断各阶模态耦合情况的判据。最后还讨论了航天器中心刚体平台的转动惯量以及太阳翼长度对系统模态特性的影响。针对以蜂窝夹芯板作为基板的太阳翼,采用三层的层合板(包含蜂窝芯层和上下面板)而非单层各向同性板对太阳翼建模,随后基于刚柔耦合模态建立了更加符合工程实际的柔性航天器低维高精度离散动力学模型。在此基础上,研究了蜂窝板参数和航天器柔性对系统固有特性的影响;结合输入成形和比例微分控制,设计了算法简单且适宜于实时控制的协同控制器,能完成具有不同柔性的以及受太阳热流照射的航天器的姿态机动-结构振动协同控制任务,并同时消除可能发生的热颤振现象。针对受太阳热流照射的姿态机动柔性航天器,采用有限差分法推导了计算太阳翼(含有蜂窝板基板)截面温度分布的显式递推格式;在考虑热应力和热应变的基础上,使用刚柔耦合模态建立了航天器刚-柔-热耦合动力学模型。随后,设计了热-结构双向耦合求解流程,用于计算姿态机动航天器的热诱发刚柔耦合振动响应。数值结果表明:姿态机动航天器的太阳翼会受到时变热载荷作用,由此引发的动力学响应包含准静态变形以及叠加其上的振动分量两部分;如果热流的最终入射角(约等于初始入射角与姿态机动角之和)较大,则具有较小结构阻尼的航天器的热诱发响应可能是不稳定的,此时可能出现热颤振现象;若航天器阻尼较大,太阳翼热诱发动力学响应的振动分量将逐渐衰减,最终仅余下准静态变形。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V414;V448.22

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘延柱,陈立群,成功,戈新生;航天器姿态动力学中的稳定性、分岔和混沌[J];力学进展;2000年03期

2 周黎妮,唐国金,罗亚中;基于Matlab/Simulink的航天器姿态动力学与控制仿真框架[J];系统仿真学报;2005年10期

3 姚郁;谢瑞强;;一种微型航天器姿态控制系统建模与分析[J];宇航学报;2007年04期

4 陈立群;仰之弥高　钻之弥深──《航天器姿态动力学》评介[J];黄淮学刊(自然科学版);1997年S4期

5 胡庆雷;肖冰;马广富;;输入受限的航天器姿态调节小波滑模反步控制[J];哈尔滨工业大学学报;2010年05期

6 王焕宇;;误差受限的航天器姿态跟踪控制[J];科技创新导报;2013年15期

7 张兵;吴宏鑫;;欠激励航天器姿态翻滚抑制的滑动控制[J];控制工程;1998年05期

8 程绪铎,王照林,李俊峰;带弹性伸展附件充液航天器姿态动力学研究[J];空间科学学报;2000年03期

9 唐超颖,沈春林,李丽荣;航天器姿态滑模变结构控制系统的设计[J];南京航空航天大学学报;2003年04期

10 郭铁能,陆秋海,葛东云,任革学;航天器姿态和振动的拉索控制模型[J];清华大学学报(自然科学版);2005年11期

相关会议论文 前10条

1 梁琼;岳宝增;;带能量耗散附件航天器姿态稳定性及控制[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

2 马孜;;适用于航天器姿态估计的自适应卡尔曼滤波算法[A];第二十三届中国控制会议论文集（上册）[C];2004年

3 张伟;高旭;霍佳婧;;基于联合仿真的刚柔耦合航天器姿态计算[A];北京力学会第17届学术年会论文集[C];2011年

4 刘正山;周志成;曲广吉;;柔性航天器姿态热诱导运动响应力学建模分析[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

5 贾英宏;;航天器姿态/能量一体化系统动力学与控制[A];第二届全国动力学与控制青年学者研讨会论文摘要集[C];2008年

6 胡绍林;KARL Meinke;;N体航天器姿态运动的动态-测量系统建模与应用[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年

7 范高洁;;变构型多体航天器姿态动力学与仿真[A];北京力学会第19届学术年会论文集[C];2013年

8 于丹;岳宝增;;充液航天器姿态动力学及跟踪控制[A];第十三届全国非线性振动暨第十届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议摘要集[C];2011年

9 岳宝增;;柔性充液航天器姿态转换机动及混沌姿态控制[A];第十二届全国非线性振动暨第九届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文集[C];2009年

10 刘峰;廖瑛;刘翔春;;考虑转动和挠性附件的航天器姿态控制系统建模与仿真[A];2009系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2009年

相关重要报纸文章 前2条

1 本报记者 李凤琳;煤电治污应加强协同控制[N];中国能源报;2014年

2 本报记者 黄婷婷;协同控制能否落到实处？[N];中国环境报;2013年

相关博士学位论文 前10条

1 刘伦;航天器姿态运动与太阳翼结构振动耦合分析及协同控制[D];哈尔滨工业大学;2017年

2 张喜海;基于T-S模型的航天器姿态模糊控制问题研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

3 高士根;多列车协同运行的若干控制问题研究[D];北京交通大学;2016年

4 孟子阳;基于一致性算法的多航天器姿态协同控制研究[D];清华大学;2010年

5 张安慧;大规模航天器编队协同控制性能分析与信息拓扑设计[D];哈尔滨工业大学;2013年

6 谢伯元;基于信息交互及运动耦合的车辆协同控制方法[D];清华大学;2014年

7 吴艳红;旋转叶片刚柔耦合系统动力学研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

8 赵平;协同控制理论在电力系统稳定控制中的应用研究[D];华中科技大学;2013年

9 宋志刚;基于烦恼率模型的工程结构振动舒适度设计新理论[D];浙江大学;2003年

10 郑少鹏;结构振动重分析若干问题研究[D];吉林大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 李理;考虑控制与角速度受限的航天器姿态非线性滑模控制[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 马杰;基于自适应模糊滑模的航天器姿态稳定的研究[D];渤海大学;2016年

3 贾延龙;航天器姿态跟踪的自适应内模控制方法研究[D];渤海大学;2016年

4 苗楠;基于控制分配的航天器姿态容错控制[D];哈尔滨工业大学;2016年

5 朱江;航天器姿态和轨道的鲁棒控制[D];哈尔滨工业大学;2015年

6 黄静;三轴稳定航天器姿态最优控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

7 李敏丽;基于滑模变结构的航天器姿态控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

8 肖冰;带有输入饱和的挠性航天器姿态跟踪鲁棒控制研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

9 吕昕东;磁性刚体航天器姿态动力学稳定性研究[D];北方工业大学;2011年

10 鲍国亮;陀螺飞轮实现航天器姿态测量与控制的机理分析[D];哈尔滨工业大学;2013年

，

本文编号：2429555