空間站機(jī)械臂轉(zhuǎn)位控制與振動(dòng)抑制研究.pdf

1、空間站是人類(lèi)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(jìn)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(guò)程中,需要利用空間機(jī)械臂完成艙體從軸向?qū)涌谥翉较驅(qū)涌诘霓D(zhuǎn)位過(guò)程。然而柔性機(jī)械臂在執(zhí)行轉(zhuǎn)位任務(wù)過(guò)程中,容易激起柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng),這將影響轉(zhuǎn)位對(duì)接的定位精度,嚴(yán)重時(shí)甚至給空間站的安全運(yùn)行帶來(lái)危險(xiǎn)。因此,伴隨轉(zhuǎn)位過(guò)程應(yīng)運(yùn)而生的動(dòng)力

2、學(xué)與控制問(wèn)題便成為了空間站在軌組建過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文重點(diǎn)考慮空間站機(jī)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(dòng)力學(xué)與控制問(wèn)題,包括空間站轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的建模、機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)控制及振動(dòng)抑制等。論文的主要研究?jī)?nèi)容和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)如下:
　　空間站在艙體轉(zhuǎn)位過(guò)程中系統(tǒng)的姿態(tài)、偏心量將發(fā)生變化,其動(dòng)力學(xué)特性極其復(fù)雜。為分析空間站在應(yīng)用機(jī)械臂轉(zhuǎn)位過(guò)程中的動(dòng)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(dòng)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(jī)械臂轉(zhuǎn)位系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)方程,采用Lagrange法建立柔性臂振動(dòng)方程;應(yīng)用約束模態(tài)展開(kāi)法對(duì)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行降階,并系統(tǒng)地分析了柔性機(jī)械臂的振動(dòng)模態(tài)。
　　針對(duì)機(jī)械臂這類(lèi)柔性機(jī)構(gòu)的主動(dòng)振動(dòng)控制問(wèn)題,提出了負(fù)分力合成振動(dòng)抑制(NegativeComponentSynthesisVibrationSuppression,NCSVS)方法。該方法設(shè)計(jì)的合成力同時(shí)包含正負(fù)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(dòng)。在此基礎(chǔ)上,提出了負(fù)分力合成理論的若干定理和推論,對(duì)定理進(jìn)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(shí)現(xiàn)魯棒性定理,進(jìn)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(dòng)振動(dòng)控制方法的區(qū)別與聯(lián)系,提出了改進(jìn)型負(fù)輸入成形(ModifiedNegativeInputShaping,MNIS)振動(dòng)抑制方法。該方法設(shè)計(jì)成形器的脈沖序列包含多個(gè)正負(fù)依次交替的脈

5、沖,通過(guò)所選擇的脈沖數(shù)目和系統(tǒng)振動(dòng)頻率與阻尼比構(gòu)成封閉形式解來(lái)直接確定脈沖作用時(shí)間和幅值。根據(jù)該方法分別針對(duì)無(wú)阻尼系統(tǒng)和有阻尼系統(tǒng)提出了改進(jìn)型單位幅值輸入成形器和改進(jìn)型負(fù)輸入成形器;所設(shè)計(jì)的改進(jìn)型負(fù)成形器與相應(yīng)的正成形器相比有更短的時(shí)滯時(shí)間,可以有效改善系統(tǒng)的上升時(shí)間,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。與相應(yīng)的負(fù)成形器相比,其最主要的優(yōu)點(diǎn)是:無(wú)需對(duì)約束條件進(jìn)行優(yōu)化,也無(wú)需復(fù)雜計(jì)算,使得成形器的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單。在此基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的性能,提出了

6、改進(jìn)型負(fù)輸入成形和最優(yōu)控制相結(jié)合的振動(dòng)抑制方法,并采用柔性機(jī)械臂模型驗(yàn)證了所提出方法的有效性。
　　研究了空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)的高精度軌跡跟蹤問(wèn)題。針對(duì)建立的帶擾動(dòng)項(xiàng)和摩擦等非線性因素的柔性關(guān)節(jié)二階級(jí)聯(lián)動(dòng)力學(xué)方程,通過(guò)設(shè)計(jì)虛擬控制量對(duì)該串級(jí)系統(tǒng)引入兩個(gè)自抗擾控制器進(jìn)行雙閉環(huán)控制?？刂破魍ㄟ^(guò)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)實(shí)時(shí)估計(jì)擾動(dòng)和摩擦等非線性因素并在控制過(guò)程中對(duì)“總擾動(dòng)”加以補(bǔ)償。采用該技術(shù)設(shè)計(jì)的控制器既能滿足系統(tǒng)對(duì)快速性和穩(wěn)態(tài)精度的要

7、求,同時(shí)又有效抑制了電機(jī)不確定擾動(dòng)和摩擦因素對(duì)系統(tǒng)的影響。控制器算法簡(jiǎn)單,適于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有控制精度高、魯棒性強(qiáng)等良好的控制品質(zhì),具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
　　針對(duì)空間站機(jī)械臂轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的閉環(huán)控制問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。通過(guò)構(gòu)造降維矩陣對(duì)轉(zhuǎn)位系統(tǒng)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,分析了其復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性,得出結(jié)論:空間站轉(zhuǎn)位過(guò)程中構(gòu)型的改變會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)一步提出了基于分力合成/負(fù)分力合成/改進(jìn)型負(fù)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(lái)解決轉(zhuǎn)位控制和柔性機(jī)械臂的振動(dòng)抑制問(wèn)題。利用動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了反饋解耦控制策略。該策略有效地解決了由于動(dòng)力學(xué)模型的強(qiáng)耦合、非線性和時(shí)變性帶來(lái)的閉環(huán)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率和阻尼比具有時(shí)變性導(dǎo)致的難以直接設(shè)計(jì)CSVS/NCSVS/MNIS控制輸入指令的問(wèn)題。將CSVS/NCSVS/MNIS方法