分数阶航天器结构振动-姿态耦合动力学与控制协同演化研究

Spacecraft with appendages is research object of this project, co-evolution of fractional order coupled structure vibration-attitude dynamic and control of spacecraft is studied. Firstly, novel synthesizing modeling method is proposed, fractional order coupled structure vibration-attitude nonlinear dynamics model of spacecraft with characteristics of “high range, large deformation, flexible-flexible coupled, rigid-flexible coupled” is established, evolution mechanism of coupled structure vibration-attitude dynamics of spacecraft with previous characteristics is analyzed. Secondly, evolution law of coupled structure vibration-attitude nonlinear dynamics of spacecraft is analysised with the condition that flexible appendages' deformation and perturbation are small. Thirdly, the decision-making mechanism of coordinated control is build by decision.entropy model of co-evolution process of dynamics and control. Finally, fractional order non-fragile large-scale robust controller for coupled structure vibration-attitude dynamics and control system of spacecraft with characteristics of “parametric uncertainty, input saturation limit, external disturbance, high performance requirement” is designed, non-fragile problem of control system is deeply discussed under the condition of different control modes, kinds of parameters variations of co-evolution mechanism of dynamics and control are revealed. This fund will deal with most key and basic issues for spacecraft mission applications, which are analysis of dynamic modeling and control. They will provide theoretical supporting for spacecraft orbital operation and they have practical and academic values.

本项目以带挠性附件的航天器为研究对象，开展航天器结构振动-姿态耦合动力学与控制协同演化研究。首先，提出新“综合建模”方法，建立具有“大范围、大变形、刚-柔耦合、柔-柔耦合”运动特点的分数阶航天器结构振动-姿态耦合非线性动力学模型，分析其结构振动-姿态耦合动力学演化机理；其次，在挠性附件“小变形、小扰动”条件下，分析结构振动-姿态耦合非线性动力学演化规律；再次，基于动力学与控制协同演化过程中的决策熵模型构建协同控制决策机制；最后，设计具有“不确定性突出、控制输入饱和、存在外部干扰、高精度姿态控制要求”特点的分数阶航天器结构振动-姿态动力学与控制大系统非脆弱鲁棒控制器，深入探讨不同控制模式条件下控制系统的非脆弱性问题,揭示系统随各种参数变化的动力学与控制协同演化机理。本课题将解决航天器任务应用最基础和关键的动力学与控制问题，为航天器在轨可靠安全运行提供理论支撑，具有重要的学术和应用价值。

针对大型航天器结构振动-姿态耦合动力学协同控制问题，开展了大量研究工作。首先，基于矢量力学与混合坐标法建立了挠性附件具有“小变形、刚-柔耦合”运动特征的航天器角动量方程，并以空间站为例，研究了“小变形”条件下，航天器结构振动-姿态耦合非线性动力学演化机理；其次，建立大变形条件下的航天器结构振动-姿态耦合动力学模型，分别以空间站与空间太阳能电站为例，研究了“大变形、柔-柔耦合”条件下，航天器结构振动-姿态耦合非线性动力学演化机理；第三，基于遗传算法，研究和分析了空间太阳能电站二维展开机构运动轨迹优化问题，基于优化方法展开机构展开效率提升了30%，基于展开机构实验平台进行了实验验证与分析；第四，研制了对称构型空间太阳能电站地面试验平台与单体构型空间太阳能电站地面试验平台、展开机构运动控制软件平台、用于地面协同控制实验研究，实验平台具备了空间太阳能电站三轴运动模拟与大跨度柔性结构振动-姿态系统控制实验测试与分析的能力。第五，采用滑模控制算法，研究了空间太阳能电站结构振动-姿态控制协同演化过程；第六，研制了立式空间站地面试验平台、卧式空间站地面试验平台、空间站地面实验软件平台，实验平台具备了空间站三轴运动模拟与大跨度柔性结构振动-姿态系统控制实验测试与分析的能力；第七，基于决策熵机制，建立了航天器结构振动-姿态耦合动力学与控制协同演化决策机制；第八，完成了“低频-柔性-智能”噪声超材料结构、噪声超材料、空间太阳能电站概念设计、无人机自主控制、航天器动力学与控制演化、柔性结构振动控制传感器/作动器优化配置等研究进展；第九，本项目获得辽宁省自然科学学术成果奖1项；沈阳市自然科学学术成果奖1项；学术专著3部；授权发明专利5项；授权实用新型专利2项；发表SCI论文3篇，EI论文1篇；完成噪声超材料结构、噪声超材料、无人机自主控制、柔性结构振动控制传感器/作动器优化配置等论文10篇。