索网式空间结构在轨变形分布式主动控制

Taking the large cable net antenna of electronic reconnaissance satellite and communications satellite as the research object, this project studies the theory and method of distributed active shape control of on-orbit space cable net structure, and performs experimental verification of the proposed distributed control method. The purpose of this project is to provide theoretical foundation and technical support for structural design and precise and reliable shape control of future large space-borne cable net antenna refelector. The contents of this research include: to propose the distributed-control-oriented model of space cable net structures, to develop feedforward control method of structure shape control based on optimal control theory, and to study the theory and method of distributed H2/H∞ feedback control of structure shape. The experimental system of structure shape active control is finally designed and constructed, and then the experimental verification is provided.

本项目以大型电子侦察卫星和通信卫星的索网式结构天线为研究对象，研究在轨环境下索网式空间结构变形控制的分布式主动控制理论和方法，并完成控制方法的实验验证。为新一代大型索网式星载天线结构设计和反射面变形的精准可靠控制提供理论基础和技术支撑。具体研究内容包括：建立面向分布式控制的索网式空间结构动力学模型；基于最优控制理论发展结构变形前馈控制方法；研究结构变形控制的分布式H2/H∞反馈控制方法；设计和搭建结构变形主动控制实验系统，并完成索网式结构变形分布式主动控制方法实验验证。

针对大型移动通信卫星和对地观测卫星对大口径、高精度星载天线的迫切需求，本项目以索网式天线结构为主要研究对象，开展了天线反射面变形主动控制方法研究。主要研究内容包括：结合参变量变分理论与几何非线性有限元方法建立了索网天线结构非线性有限元模型，并基于该模型进行了结构力学分析；建立含有压电作动器的大型索网式天线结构的机电耦合动力学模型，给出一种适用于大规模结构主动控制的新型快速模型预测控制方法，并利用该方法求解天线反射面变形主动控制问题；建立面向大型天线结构分布式控制的有限元模型，考虑各子模块之间的测量信息交互，提出了分布式振动控制策略并分析了系统的稳定性；完成系统方案设计并搭建了星载天线反射面变形主动控制演示实验系统，验证了提高天线反射面型面精度主动控制方法的有效性。研究结果表明，所提出的基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高求解精度；快速模型预测控制方法可以高效求解大型索网式天线结构的反射面变形主动控制问题，通过主动控制可明显提高反射面的型面精度；采用可扩展的分布式控制器，大型空间天线结构的振动能够得到有效抑制，且控制系统的容错性能良好；通过实验更进一步验证了主动控制在提高天线反射面精度方面的有效性。以上研究工作为研发新一代大口径、高精度星载天线提供了理论基础和技术支撑，在进一步提高和保持天线反射面精度方面有广泛的应用前景。