大型空间结构在轨装配中的协同自适应鲁棒控制研究

大型空间结构在轨装配是在太空轨道中利用空间结构模块构建无法单次整体发射入轨的超大型空间结构，如空间太阳能电站和星际航行中转站。控制技术是贯穿在轨装配任务各个环节并决定任务成败的关键要素。针对在轨装配控制对燃料消耗、稳健性和自适应性的严格要求，本项目将研究大型空间结构在轨装配的协同自适应控制方案。在建立大型空间结构的轨道、姿态与结构动力学模型基础上，利用保结构多层次算法求解空间结构最优装配路径的在轨设计问题以减少协同控制系统的燃料消耗，然后设计空间结构装配中的相对位置与相对姿态控制器以提高控制精度和效率；并在建立空间结构动力学参数在轨辨识方法的基础上，研究抑制空间结构振动的自适应鲁棒控制方法以提高在轨装配控制系统的稳健性。最后通过对刚体运动和结构振动控制回路的集成，完成在轨装配自适应鲁棒控制系统总体设计，为未来大型空间结构在轨装配任务的实施提供性能稳健、节省燃料的先进控制方案。

大型空间结构在轨装配是指在太空利用结构模块构建无法单次整体发射入轨的超大型复杂空间结构。在建立空间结构的动力学模型基础上，利用保结构多层次算法求解了装配路径最优设计问题，在动力学参数在轨辨识方法研究的基础上，研究了结构振动抑制和变形控制的鲁棒控制方法。成果可以为未来大型空间结构在轨装配任务的实施提供节省燃料、性能稳健的控制方案。具体研究成果包括：(1)柔性空间结构在轨机动过程是一类典型的刚柔耦合动力学问题。针对结构特点，选择原点在结构质心的浮动坐标系作为辅助坐标系建立结构大范围机动的运动学关系，将刚体运动和柔性振动进行区分，以便控制系统设计；基于Eulerian-Lagrangian混合描述方法建立系统大范围机动的运动学关系，并利用Kane方程推导了结构的动力学方程，弥补了之前的动力学方程中弯曲刚度没有充分考虑平动速度对其影响的问题。(2)针对非线性最优控制导出的Hamiltonian系统两点边值问题，提出一种以离散区段右端状态和左端协态为混合独立变量的数值求解方法，将非线性Hamiltonian系统两点边值问题的求解通过混合独立变量变分原理转化为非线性方程组求解。所提出的算法综合了求解最优控制的“直接法”和“间接法”的特征，既满足最优控制理论的一阶必要条件，又不需要对协态初值的准确猜测，避免了求解大规模非线性规划问题。与近年来在航空航天控制中备受关注的高斯伪谱方法相比较，本文算法无论是在精度还是效率上都具有明显的优势。(3)考虑到大型柔性空间结构中存在的时变特性，研究了周期时变结构动力学参数的在轨辨识方法。利用周期时变子空间方法辨识得到了开环周期系统动力学参数；之后将截断窗逼近幂迭代方法（TW-API）进行改进从而得到了一种新的开环递推辨识方法；最后在原开环系统中加入状态反馈使之成为闭环系统，使用闭环系统子空间方法有效地辨识得到了空间结构的模态参数和控制器增益参数。(4)针对柔性空间结构振动问题，设计了一种带鲁棒通控制器，该控制器通过巧妙设定干扰加权矩阵，可得到黎卡提方程的解析解，从而避免了对其数值求解，提高了计算效率，解决了高阶弱阻尼性系统求解时存在的病态问题，实现了选择带宽控制。在柔性空间结构变形控制方面，对于通过模态截断法降阶的智能桁架结构有限元动力学模型，以振动幅值最小为性能指标设计了最优控制器，采用非线性规划法对其求解，得到了结构变形的最优控制律。