大柔性高应变航天结构动态展开过程的数据驱动控制研究

Highly flexible high strain composites have been widely recognized as one of the most valuable R&D for the development of space deployable structures due to its advantages in lightweight, large deformation, diverse designs and high stiffness. However, resulted by its highly non-linear dynamics and being lack of analytical model, research on active control of its deployment process is still insufficient. This project aims to accomplish an analysis and control toolset for precise and smooth control of the deployable structure. To reduce the impact from model uncertainty, the project creatively optimizes the segmentation of the deployment process by its nonlinear curvature value, utilizes feedforward-feedback control to ensure robust stability, disturbance rejection performance and tracking ability, and uses signal blending to realize smooth transitions among sections during the deployment process. The design of the control system is purely data-driven and independent of any analytic model, which achieves modeless control for the deployment process of the highly flexible high strain composite. All of the analysis, design and simulation results in this project will be verified on an experimental system to realize controlled smooth deployment process, which will ultimately provide theoretical and technical supports for the development of large flexible deployable space structure.

大柔性高应变复合结构因其轻质、大变形、构型多样化及高刚度的特点，成为航天领域公认的在可展开结构研制上具有极高应用价值的发展方向之一，然而高度非线性和难以解析建模的动力学特点使现阶段对其展开过程的主动控制研究相对空白。本项目提出一套实现高应变结构展开过程动态精确控制的动力学分析和控制方法。为减少模型不确定性的影响，创新性地利用非线性曲度对展开过程进行动力学分析和优化分段；并对单一区域采用前馈-反馈并联控制结构保证系统鲁棒稳定性、抗干扰性能及运动轨迹跟踪性能；最后使用信息融合切换控制技术确保系统在不同区域间切换时控制的平滑过渡。控制系统整体设计完全基于实验测试数据而不依赖于解析模型，实现了高应变结构非线性展开过程无模型的展开控制。本项目所有分析、设计及仿真结果均将在实验平台上进行验证，进行高应变复合结构的受控平滑展开，其项目成果将为大尺寸大柔性可展开航天结构的研制提供理论基础及技术支撑。

项目针对大型柔性展开结构的过程控制问题，通过综合利用有限元仿真及地面实验数据，形成了一套成体系的基于数据驱动的动力学分析和前馈-反馈控制优化设计方法，为这一类大非线性、无模型的柔性结构展开过程提供完善的分析、控制及应用技术构架。.针对弹性铰链驱动的新型空间展开机构强几何非线性，难于对其瞬态展开过程进行高精度的仿真分析的问题，本项目通过合理约束假设、仿真参数敏感性、动态能量平衡等分析手段和基于实验的摩擦参数优化校验，实现了展开机构瞬态位移高精度的仿真与实验对照，其展开动力学仿真技术为展开机构参数优化、展开过程控制器设计等提供准确、可靠的仿真支撑。.针对展开过程缺少准确动力学模型信息的问题，本项目设计基于频域数据的多目标约束优化控制方法，提出离散数据的稳定性判据及控制性能代价函数，使控制器设计脱离模型限制。仿真及实验证明由此方法设计的低阶控制器性能与传统的基于模型的高阶控制器相比具有相似甚至更优的控制效果，且其低阶特性可以满足星载计算机实时控制低计算量的要求，对于航天结构的主动控制具有明显的优势。.针对展开机构的大非线性的特性，本项目提出了一种切换控制策略。一般的切换会带来系统的不连续性，从而造成切换过程冲击引起结构振动，为此本项目提出一种混合切换策略，即存在两种控制器的过渡区域，在此区域对两个局域控制器进行线性时变组合，从而形成控制信号的平稳过渡。本项目相关研究从理论上证明了此切换策略的全局稳定性，从而为类似的大非线性系统控制问题提供了通用理论框架和解决思路。.针对反馈控制在应对展开过程末端冲击的局限性，本项目改进了数据驱动迭代学习的前馈控制算法以减少冲击，降低跟踪误差。提出了变步长滑窗迭代学习方法，根据系统的动力学非线性分析进行滑窗函数与步长函数的设计，在保障控制精度的同时减少迭代次数。最终实验证明了加入前馈控制的系统能够获得较小的跟踪误差，并有效减少了展开冲击。