复杂航天器密频挠性结构的在轨辨识和振动控制研究

For the complex spacecraft with large deployable antenna, active vibration control is of great importance to attitude stability and antenna pointing accuracy. However, large antennae, known as Large Flexible Space Structures(LFSS), often possess low damping ratios and close modes at low frequency, which potentially pose problems for active vibration control system. Research at present mostly remains at problem analysis stage, in limited aspect and with few solutions. Along with LFSS become increasingly long-span and complex, focusing on a single part of the vibration control system cannot guarantee a desirable performance. Therefore, based on analyzing the features of closely spaced modes, this project aims to establish systematic theory and methods of active vibration control for space structures with clustered modes. Considering the spillover problem caused by the high correlation between close modes, balanced reduction improving and more robust controller design are to be researched. As model uncertainty can easily arise due to the so called "unstable close modes", on-orbit modal parameter identification and intelligent vibration control will be both investigated as double insurance. For the low controllability and observability of close modes, actuator/sensor placement will be researched to optimize the overall controllability/observability, also with controller design to take full advantage of the control energy.

主动振动控制对提高复杂航天器平台稳定度和实现大天线高指向精度具有高度重要性。然而，大天线等挠性结构的周期性构型引起低频段模态密集问题，是掣肘主动振动控制在轨应用的主要因素之一。目前研究多停留于针对控制设计某环节，指出密集模态可能引发的问题，却鲜有解决方案。随着空间结构日益复杂化，从单一环节入手难以获得理想性能。 为此，本课题将深入分析密集模态特性及其影响，从整体上建立一套针对空间密频结构的主动振动控制理论和方案。考虑到密集模态强相关性引发溢出问题，在模型降阶时研究改进内平衡变换法，并在控制设计中提高对未建模动态的鲁棒性。对于密集模态不稳定性引发的模型不确知性，探索在轨辨识算法进行修正，同时研究具备自学习能力的智能振动控制方法避免过于保守和性能损失。对于密频系统的低可控/可观度，研究作动器/传感器的优化配置，从整体上提高系统可控/可观度，并探讨控制量的非线性组织方式以提高作动能力。

针对复杂航天器上大型挠性空间结构的低频段模态密集问题，深入研究了密频结构的特性及对控制的影响，并据此分析了密频系统的控制模型降阶，研究了密频结构挠性参数的在轨辨识技术，设计了针对空间密频结构的作动器/传感器优化配置方案及主动振动控制系统。本项目的主要贡献在于：.（1）推导了密频结构模态不稳定特性的产生机理，证明模态不稳定特性引发模型不确知性，并通过分析剩余模态的作用机理，说明了模态密集将加剧溢出问题。基于独立模态空间进行控制模型降阶，指出低频段的密集模态最好能整组选为被控模态。.（2）研究了适用于空间密频结构的在轨结构参数辨识技术，引入观测器矩阵，利用输入输出序列进行系统参数辨识，能够适用于一般的激励信号，大大增加了算法的适应性；并且通过分别计算markov参数阵和观测器增益参数阵，大大提高算法的辨识精度，为基于在轨参数辨识的模型修正奠定了基础。.（3）基于可控性Gram矩阵的奇异值分析了密集模态的低可控度。在此基础上，提出一种基于cross-Grammian矩阵来平衡可控性和可观性测度的优化方法，可保证在传感器/作动器同位配置的前提下分配各元件位置，优化配置结果对于不同的振动控制方法和参数辨识方法而言，综合分配各阶主模态的可控度和可观度，提高整组密集模态的控制性能。.（4）基于模糊规则的解析形式，设计了自适应模糊振动控制系统。通过约束参数向量的界，一方面避免过度修改造成不稳定，另一方面间接限制了控制量的幅值。基于特定模糊系统的万能逼近定理，给出了该自适应模糊振动控制系统的闭环稳定性分析，并指出在模糊系统逼近误差平方可积的条件下，可使稳态阶段的振动状态趋于零。仿真证实，该自适应模糊振动控制系统相对于普通模糊控制，在提高稳态性能的基础上可进一步降低对控制能量的需求。.项目研究成果推动了复杂航天器上主动振动控制的在轨应用，促进整星高精度高稳定度控制目标的实现，并在多天线指向、挠性大载荷运动等空间任务中发挥重要作用。