空間站機械臂轉(zhuǎn)位控制與振動抑制研究.pdf

1、空間站是人類歷史上規(guī)模最大的航天器,代表著當(dāng)今航天領(lǐng)域最全面、最復(fù)雜、最先進和最綜合的科技水平,在空間生命科學(xué)、載人深空探索及新材料加工等諸多科技前沿領(lǐng)域發(fā)揮著重要的、其它航天器不可替代的作用。多模塊空間站在軌組建過程中,需要利用空間機械臂完成艙體從軸向?qū)涌谥翉较驅(qū)涌诘霓D(zhuǎn)位過程。然而柔性機械臂在執(zhí)行轉(zhuǎn)位任務(wù)過程中,容易激起柔性結(jié)構(gòu)振動,這將影響轉(zhuǎn)位對接的定位精度,嚴(yán)重時甚至給空間站的安全運行帶來危險。因此,伴隨轉(zhuǎn)位過程應(yīng)運而生的動力

2、學(xué)與控制問題便成為了空間站在軌組建過程中需要解決的關(guān)鍵問題之一。本文重點考慮空間站機械臂轉(zhuǎn)位操作這一關(guān)鍵環(huán)節(jié),深入研究其相關(guān)動力學(xué)與控制問題,包括空間站轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的建模、機械臂柔性關(guān)節(jié)控制及振動抑制等。論文的主要研究內(nèi)容和學(xué)術(shù)貢獻如下:
　　空間站在艙體轉(zhuǎn)位過程中系統(tǒng)的姿態(tài)、偏心量將發(fā)生變化,其動力學(xué)特性極其復(fù)雜。為分析空間站在應(yīng)用機械臂轉(zhuǎn)位過程中的動力學(xué)特性,采用矢量力學(xué)方法推導(dǎo)了考慮偏心量的空間站轉(zhuǎn)位系統(tǒng)動力學(xué)模型。使用有限元方

3、法描述柔性臂的彈性變形,應(yīng)用Newton-Euler法建立空間站機械臂轉(zhuǎn)位系統(tǒng)轉(zhuǎn)動方程,采用Lagrange法建立柔性臂振動方程;應(yīng)用約束模態(tài)展開法對動力學(xué)方程進行降階,并系統(tǒng)地分析了柔性機械臂的振動模態(tài)。
　　針對機械臂這類柔性機構(gòu)的主動振動控制問題,提出了負分力合成振動抑制(NegativeComponentSynthesisVibrationSuppression,NCSVS)方法。該方法設(shè)計的合成力同時包含正負分力,與傳統(tǒng)

4、分力合成(CSVS)方法相比能更迅速地抑制柔性振動。在此基礎(chǔ)上,提出了負分力合成理論的若干定理和推論,對定理進行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明;并推廣了分力合成方法抑制多階模態(tài)的原則和實現(xiàn)魯棒性定理,進一步發(fā)展和完善了分力合成理論。
　　考慮到分力合成與輸入成形主動振動控制方法的區(qū)別與聯(lián)系,提出了改進型負輸入成形(ModifiedNegativeInputShaping,MNIS)振動抑制方法。該方法設(shè)計成形器的脈沖序列包含多個正負依次交替的脈

5、沖,通過所選擇的脈沖數(shù)目和系統(tǒng)振動頻率與阻尼比構(gòu)成封閉形式解來直接確定脈沖作用時間和幅值。根據(jù)該方法分別針對無阻尼系統(tǒng)和有阻尼系統(tǒng)提出了改進型單位幅值輸入成形器和改進型負輸入成形器;所設(shè)計的改進型負成形器與相應(yīng)的正成形器相比有更短的時滯時間,可以有效改善系統(tǒng)的上升時間,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。與相應(yīng)的負成形器相比,其最主要的優(yōu)點是:無需對約束條件進行優(yōu)化,也無需復(fù)雜計算,使得成形器的設(shè)計非常簡單。在此基礎(chǔ)上,為進一步提高控制系統(tǒng)的性能,提出了

6、改進型負輸入成形和最優(yōu)控制相結(jié)合的振動抑制方法,并采用柔性機械臂模型驗證了所提出方法的有效性。
　　研究了空間機械臂柔性關(guān)節(jié)的高精度軌跡跟蹤問題。針對建立的帶擾動項和摩擦等非線性因素的柔性關(guān)節(jié)二階級聯(lián)動力學(xué)方程,通過設(shè)計虛擬控制量對該串級系統(tǒng)引入兩個自抗擾控制器進行雙閉環(huán)控制?？刂破魍ㄟ^擴張狀態(tài)觀測器(ESO)實時估計擾動和摩擦等非線性因素并在控制過程中對“總擾動”加以補償。采用該技術(shù)設(shè)計的控制器既能滿足系統(tǒng)對快速性和穩(wěn)態(tài)精度的要

7、求,同時又有效抑制了電機不確定擾動和摩擦因素對系統(tǒng)的影響?？刂破魉惴ê唵?適于數(shù)字化實現(xiàn)。仿真結(jié)果表明所設(shè)計的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有控制精度高、魯棒性強等良好的控制品質(zhì),具有一定的工程應(yīng)用價值。
　　針對空間站機械臂轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的閉環(huán)控制問題進行了系統(tǒng)性研究。通過構(gòu)造降維矩陣對轉(zhuǎn)位系統(tǒng)模型進行了簡化處理,分析了其復(fù)雜的動力學(xué)特性,得出結(jié)論:空間站轉(zhuǎn)位過程中構(gòu)型的改變會導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量和偏心量的較大變化,偏心量變化范圍甚至已超出了空間站核心艙的

8、幾何范圍。進一步提出了基于分力合成/負分力合成/改進型負輸入成形(CSVS/NCSVS/MNIS)方法和反饋解耦控制相結(jié)合的閉環(huán)控制策略來解決轉(zhuǎn)位控制和柔性機械臂的振動抑制問題。利用動力學(xué)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)動慣量大的特點,設(shè)計了反饋解耦控制策略。該策略有效地解決了由于動力學(xué)模型的強耦合、非線性和時變性帶來的閉環(huán)系統(tǒng)的振動頻率和阻尼比具有時變性導(dǎo)致的難以直接設(shè)計CSVS/NCSVS/MNIS控制輸入指令的問題。將CSVS/NCSVS/MNIS方法