大挠性航天桁架结构动力学建模及其主动模糊控制研究

论文摘要

大挠性航天桁架结构的振动控制是航天器动力学与控制领域的挑战性课题。大挠性航天桁架结构是由杆、梁、铰链及其有效载荷等结构单元根据特定的航天任务需求而组成的大型离散结构,并因其具有集散简单、可靠性强、对任务的适应度大等特点而在航天结构中得到广泛应用;但是作为一种极具代表性的大型离散结构,其结构动力学特性也很复杂,基于经典控制理论和现代控制理论的控制方法已经难以适应这一复杂系统的控制要求;而模糊控制理论不需要精确的数学模型,适用于对复杂大系统的控制,本文正是在这样的背景下,展开大挠性航天桁架结构动力学研究,提出针对大挠性航天桁架结构的主动模糊控制的理论和方法,并进行深入的探讨和研究。本文主要包含两个方面的工作:大挠性航天桁架结构动力学建模、特性分析和计算;基于模糊控制方法对大挠性航天桁架结构的振动展开主动控制研究。概括地说,围绕上述两个方面开展的具体研究内容包括:1.针对大挠性航天桁架结构这一代表性的离散结构,明确了研究对象的背景和特点,并对其进行分类(桁架式空间站、空间外伸承载桁架结构、抛物面桁架天线、环形张紧桁架可展开天线、四面体桁架天线以及变几何桁架结构),综述了国内外大挠性航天桁架结构动力学及主动控制研究、模糊控制研究以及结构振动的主动模糊控制研究的进展。2.深入系统地对大挠性航天桁架结构动力学展开研究。(1)结合航天器在轨运行时大挠性航天桁架结构的振动为控制带来的问题和挑战,针对几种常见的材料,分析了在地面实验室建立与在轨航天器具有相同或相似动力学特性的缩尺模型的可行性。(2)分别对抛物面桁架天线、环形张紧桁架可展开天线、四面体桁架天线以及变几何桁架结构等几种常见的大挠性航天桁架结构进行动力学特性分析。(3)对桁架式空间站和空间外伸承载桁架结构进行有限元建模与计算,主要包括基于缩尺建模方法的大型分布挠性航天结构(桁架式空间站)、带有大挠性桁架结构的挠性航天器、智能航天桁架结构(空间外伸承载桁架结构)及其主动杆;由于主动杆优化配置是一个离散问题,本文设计了基于整数编码的遗传算法来优化主动杆位置。3.结合国内外模糊控制理论的研究现状,将模糊控制理论和经典控制理论、现代控制理论、智能控制理论相结合,设计几种较先进的模糊控制器。(1)在简明地阐述模糊控制系统基本原理的基础上,着重研究了现实可行的四种模糊控制方法:结合PID控制原理,采用模糊推理实现PID参数的在线自整定;为改善控制系统的动态性能,在输入变量模糊化的过程中,引入了变论域的概念;创造性地使用基于整数编码的遗传算法优化模糊控制规则库,从根本上改善模糊控制系统的控制律;为了减小稳态误差,设计了一种引入智能积分环节的模糊控制器。(2)迄今为止,模糊控制尚未形成完善和系统的理论,尤其是模糊控制系统的稳定性和鲁棒性,一直是研究的难题。针对航天器控制宜采用自适应模糊控制的特点,基于输入和输出隶属度函数的中心值,结合Lyapunov稳定性理论,解决了自适应变论域模糊控制系统的稳定性和鲁棒性问题。4.在结构动力学计算的基础上,使用设计的模糊控制方法(模糊PID控制方法、自适应变论域模糊控制方法、引入智能积分环节的模糊控制方法以及基于整数编码遗传算法优化规则库的模糊控制方法)对大挠性航天桁架结构振动模糊控制进行仿真研究;在仿真中,针对模糊推理的原理,选取一种较优的模糊推理方法;在构造规则库的过程中,采用了基于物理经验和知识的方法与基于遗传算法优化相结合的办法,设计了一种比较适合大挠性航天桁架结构振动控制的规则库;在解模糊过程中,对比各种解模糊方法的优缺点,选取较优的解模糊方法;并与经典PID控制、最优控制以及H∞输出反馈控制相比较,分析结果表明设计的模糊控制方法对大挠性航天桁架结构这一复杂大系统的主动控制具有较好的适应性和明显的优越性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 大挠性航天桁架结构动力学及主动控制研究进展
• 1.2.1 大挠性航天桁架结构动力学研究进展
• 1.2.2 大挠性航天桁架结构主动控制研究进展
• 1.3 模糊控制研究进展
• 1.3.1 系统设计方法
• 1.3.2 稳定性分析
• 1.3.3 模糊控制系统性能的提高
• 1.4 结构振动的主动模糊控制研究进展
• 1.4.1 土木工程结构振动的主动模糊控制研究进展
• 1.4.2 航天工程结构振动的主动模糊控制研究进展
• 1.4.3 结构振动的主动模糊控制发展方向
• 1.5 本文的主要研究思路和主要工作
• 第二章 大挠性航天桁架结构动力学建模理论和方法
• 2.1 引言
• 2.2 大挠性航天桁架结构实验室缩尺建模理论
• 2.2.1 杆单元
• 2.2.2 梁单元
• 2.2.3 集中质量点和转动单元
• 2.2.4 缩尺材料的选择
• 2.3 带有大挠性桁架结构的挠性航天器动力学建模
• 2.4 智能航天桁架结构有限元建模
• 2.4.1 压电主动杆
• 2.4.2 智能航天桁架结构有限元建模
• 2.5 主动杆优化
• 2.5.1 主动杆数目优化
• 2.5.2 主动杆位置优化
• 2.5.3 主动杆尺寸优化
• 2.6 小结
• 第三章 大挠性航天桁架结构动力学特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 桁架单元
• 3.3 桁架铰链
• 3.4 模态分析
• 3.4.1 抛物面桁架天线
• 3.4.2 环形张紧桁架可展开天线
• 3.4.3 四面体桁架天线结构
• 3.4.4 变几何桁架结构
• 3.5 小结
• 第四章 大挠性航天桁架结构动力学计算
• 4.1 引言
• 4.2 结构的刚度矩阵与质量矩阵
• 4.3 基于缩尺建模方法的大型分布挠性航天结构计算
• 4.4 带有大挠性桁架结构的挠性航天器动力学计算
• 4.5 智能航天桁架结构动力学计算
• 4.6 主动杆优化计算
• 4.7 小结
• 第五章 几种模糊控制器的设计与分析
• 5.1 引言
• 5.2 模糊控制系统的基本理论
• 5.2.1 模糊化
• 5.2.2 模糊推理
• 5.2.3 规则库
• 5.2.4 解模糊
• 5.3 模糊PID 控制器设计
• 5.4 自适应变论域模糊控制器设计
• 5.4.1 自适应变论域模糊控制系统稳定性分析
• 5.4.2 自适应变论域模糊控制系统鲁棒性分析
• 5.5 基于遗传算法的模糊控制器设计
• 5.5.1 控制系统的优化准则
• 5.5.2 优化模糊控制器的规则库
• 5.6 引入智能积分环节的模糊控制器
• 5.7 小结
• 第六章 大挠性航天桁架结构振动的主动模糊控制研究
• 6.1 引言
• 6.2 基于独立模态空间的T 型大挠性桁架主动模糊控制
• 6.2.1 经典PID 控制与模糊PID 控制
• 6.2.2 最优控制与引入智能积分环节的模糊控制
• 6.3 带大挠性桁架结构的挠性航天器姿态控制
• 6.3.1 固定论域模糊控制与变论域模糊控制
• 6.3.2 H∞控制与基于ICGA 的模糊控制
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历及发表的有关学术论文
• 附录A T 型大挠性桁架的经典PID 控制与最优控制方法
• 附录B 带大挠性桁架结构的挠性航天器H∞控制方法
• 附录C 模糊推理原理与方法