空间作业碰撞动力学半实物模拟系统设计与失稳补偿技术研究

As the rapid development of China's aerospace engineering, there are more and more space tasks with high risk. Thus, it is urgent to develop simulation systems on the ground for the assessment and verification. The hardware-in-the-loop (HIL) simulation approach is often used because of its advantages on the high precision and low price. However, the technical level of the HIL simulation system design in China is lower than those of the Europe and United States. Therefore, this project is focused on design theory, methods and experimental research on the HIL simulation system for the space contact dynamics simulation. For the criteria decomposition problem in the HIL simulation system design, a relationship modeling approach between the final performance criteria and the subsystem performance criteria is proposed. For the design problem of the motion simulator with the performances of high stiffness, high precision and high frequency response, a new type of 3-3 orthogonal 6-DOF parallel motion simulator is proposed and a dimensionless optimization design method based on the performance of the key points is proposed for the mechanism parameter design. For the instability problem of the HIL simulation system, the stability criterion is established. For the instability compensation problem of the HIL simulation system, the compensation strategies for different factors are proposed, and the compensator structure and parameter design methods are also established. The research results of this project have important theoretical and applied significance. It will greatly enhance the technical level on the HIL space contact simulation in China and promote the development of China's space technology.

我国飞速发展的航天工程面临越来越多的高风险空间作业任务，急需研制地面模拟系统进行系统考核和验证。半实物仿真结果精度高、性价比好。然而，我国在空间碰撞半实物模拟系统设计方面与欧美存在较大差距。本项目针对空间作业碰撞动力学过程半实物模拟系统设计理论、方法和试验方面开展深入研究。针对半实物模拟系统设计中的指标分解问题，提出总体性能指标与分系统性能指标间的关系建模方法。针对空间碰撞动力学模拟对运动模拟器高刚度、高精度、高频响等性能要求，提出3-3正交六自由度并联运动模拟器新构型和基于关键点性能指标的机构参数无量纲优化设计方法。针对模拟系统的失稳问题，建立模拟系统稳定性判据。针对模拟系统的失稳补偿问题，提出针对不同失稳因素的补偿策略，建立补偿器结构和参数设计方法。本项目研究成果具有重要的理论和应用意义，将大大增强我国在空间作业碰撞地面半实物模拟方面的技术水平，促进我国空间技术的发展。

项目研究背景：我国飞速发展的航天工程面临越来越多的高风险空间作业任务，飞行器之间实现空间对接是航天技术中的关键且危险性极高的作业环节，急需研制地面模拟系统进行空间对接动力学过程的考核和验证。半实物仿真实验精度和可信度高。然而，我国在空间碰撞半实物模拟系统研究方面与发达国家存在较大差距。.主要研究内容：本项目针对空间碰撞动力学过程半实物模拟系统设计理论、方法和试验方面开展深入研究。主要包括面向空间碰撞动力学过程模拟的高刚度、 精度、 频响运动模拟器设计；空间作业碰撞动力学过程地面模拟系统的失稳机理和规律研究；空间作业碰撞动力学过程地面模拟系统的失稳补偿策略研究；空间作业碰撞动力学过程地面半实物模拟系统性能关系建模；空间作业碰撞动力学过程地面模拟试验验证等内容。.重要结果：针对空间碰撞动力学模拟对运动模拟器高刚度、高精度、高频响等性能要求，提出3-3正交六自由度并联运动模拟器新构型和基于关键点性能指标的机构参数无量纲优化设计方法。针对模拟系统的失稳问题，建立了半物理仿真系统的稳定性判据。针对模拟系统的失稳补偿问题，提出针对不同失稳因素的补偿策略，建立补偿器结构和参数设计方法。.关键数据：通过项目组成员四年的不懈努力和反复的算法升级改进，目前半物理仿真平台的性能指标完全达到了项目和实际应用要求，底层伺服控制周期1毫秒，带宽15Hz，通过实时补偿算法，针对不同频响对接过程，幅值精度优于5%；.科学意义：本项目研究成果具有重要的理论和应用意义，将大大增强我国在空间作业碰撞地面半实物模拟方面的技术水平，促进我国空间技术的发展。