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单翼太阳帆板航天器非约束模态动力学建模及特性研究

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振动与冲击 2022年第9期41卷 99-106页

作者：朱尊红戈新生北京信息科技大学机电工程学院北京100192

针对中心刚体-单翼大挠性结构的航天器,建立了一种非约束模态展开的动力学模型。探讨挠性航天器非约束模态动力学建模及动态特性,首先利用哈密顿原理建立了挠性航天器动力学方程,然后进行了模态离散化,分别在约束模态和非约束模态下讨... 详细信息

针对中心刚体-单翼大挠性结构的航天器,建立了一种非约束模态展开的动力学模型。探讨挠性航天器非约束模态动力学建模及动态特性,首先利用哈密顿原理建立了挠性航天器动力学方程,然后进行了模态离散化,分别在约束模态和非约束模态下讨论相关的特征值问题,非约束模态采用瑞利里兹法,求解了单翼挠性航天器的特征值问题,最后进行了数值仿真,比较约束模态与非约束模态之间的差异,并用有限元软件进行对比验证,得到了随着太阳能帆板长度的增加,即刚柔惯量比的减小,非约束模态比约束模态更加贴近实际情况的结论。

关键词：挠性航天器非约束模态动力学建模特征值问题

基于Tube的挠性航天器模型预测姿态控制及主动振动控制

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振动与冲击 2022年第16期41卷 261-270页

作者：管萍吴希岩戈新生北京信息科技大学自动化学院北京100192

针对大角度姿态机动的挠性航天器,将基于“管道”(Tube)的模型预测控制(Tube-based model predictive control,Tube-MPC)应用于挠性航天器的姿态控制中。首先,对不考虑扰动的挠性航天器的标称系统设计模型预测控制律,求解模型预测控制... 详细信息

针对大角度姿态机动的挠性航天器,将基于“管道”(Tube)的模型预测控制(Tube-based model predictive control,Tube-MPC)应用于挠性航天器的姿态控制中。首先,对不考虑扰动的挠性航天器的标称系统设计模型预测控制律,求解模型预测控制问题以确定飞行姿态角的标称轨迹。然后,针对带有扰动的挠性航天器的实际系统,将挠性附件振动和外部扰动作为复合扰动,设计辅助控制器使实际系统状态处于以标称轨迹为中心的Tube不变集内,驱使实际系统状态到达标称轨迹上,并沿着标称轨迹最终收敛于原点。基于Tube的模型预测姿态控制器在满足控制输入约束条件下能有效处理扰动,从而实现对姿态角指令的有效跟踪。同时,针对姿态机动过程引起的挠性附件振动,采用压电智能材料,设计了全阶滑模主动振动控制器。全阶滑模控制器可有效减少抖振,从而使挠性振动模态能够在有限时间内快速衰减。仿真结果表明,所设计的基于Tube的模型预测姿态控制器与全阶滑模主动振动控制器能有效地抑制挠性附件的振动和外界扰动,对姿态角指令有较好的跟踪性能。

关键词：挠性航天器模型预测控制滑模控制姿态控制主动振动控制

基于非约束模态的中心刚体-Timoshenko梁动力学建模与分析

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应用数学和力学 2022年第2期43卷 156-165页

作者：关玉铭戈新生北京信息科技大学机电工程学院北京100192

梁的横向变形会导致梁纵向缩短,建模过程中考虑梁横纵变形二次耦合项则存在动力刚化现象,这说明梁的纵向变形会对模型的广义刚度造成影响.对于做旋转运动的梁结构,旋转运动时还会受到离心力的作用而产生轴向拉力,轴向拉力同样也会引起... 详细信息

梁的横向变形会导致梁纵向缩短,建模过程中考虑梁横纵变形二次耦合项则存在动力刚化现象,这说明梁的纵向变形会对模型的广义刚度造成影响.对于做旋转运动的梁结构,旋转运动时还会受到离心力的作用而产生轴向拉力,轴向拉力同样也会引起梁的轴向变形,这种影响对粗短梁更加明显.以大范围运动中心刚体-Timoshenko梁模型为研究对象:首先,运用Timoshenko梁理论以及Hamilton原理建立含离心力的动力学模型;其次,引入非约束模态概念,采用Frobenius方法求解非约束模态振型函数以及固有频率;最后,通过数值仿真探究不同恒定转速时非约束模态与约束模态广义刚度的差异和非约束模态条件下离心力对模型的影响.

关键词：刚柔耦合动力刚化 Timoshenko梁非约束模态

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自旋挠性航天器非约束模态动力学特性研究

应用力学学报 2023年第1期40卷 66-72页

作者：朱尊红戈新生北京信息科技大学机电工程学院北京100089

在研究挠性航天器动力学问题时,关注的问题是挠性航天器系统的刚柔耦合作用问题,即航天器挠性附件的振动可能会造成航天器运动失稳。针对中心刚体-双侧大挠性结构的自旋航天器,提出了航天器帆板结构的梁式简化模型,建立了一种非约束模... 详细信息

在研究挠性航天器动力学问题时,关注的问题是挠性航天器系统的刚柔耦合作用问题,即航天器挠性附件的振动可能会造成航天器运动失稳。针对中心刚体-双侧大挠性结构的自旋航天器,提出了航天器帆板结构的梁式简化模型,建立了一种非约束模态动力学模型。本研究考虑受到万有引力作用,探讨自旋挠性航天器非约束模态的动力学建模及动态特性。首先利用欧拉方程和哈密顿原理建立了自旋挠性航天器动力学方程,方程解释了刚性模态和弹性模态之间的耦合;然后进行了模态离散化,分别在约束模态和非约束模态下对特征值问题开展研究,对频率和相关振型进行了定量比较;最后进行了数值仿真,求解了自旋挠性航天器非约束模态特征值问题,比较约束模态与非约束模态之间的差异,并用有限元进行验证,得到了随着梁长度的增加,即刚柔惯量比、质量比的减小,非约束模态比约束模态更加准确的结论。

关键词：非约束模态自旋挠性航天器动力学建模特征值问题

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挠性航天器非约束模态动力学模型的降阶研究

应用力学学报 2022年第6期39卷 1030-1037页

作者：韦志东戈新生北京信息科技大学机电工程学院北京100192

针对中心刚体-挠性附件的挠性航天器,应用拉格朗日方程推导出动力学模型,再利用模态展开法得到非约束模态动力学方程,然后分别基于模态价值分析准则和内平衡降阶准则的相关理论探讨模型降阶。通过模态价值分析准则能够显示出各阶模态占... 详细信息

针对中心刚体-挠性附件的挠性航天器,应用拉格朗日方程推导出动力学模型,再利用模态展开法得到非约束模态动力学方程,然后分别基于模态价值分析准则和内平衡降阶准则的相关理论探讨模型降阶。通过模态价值分析准则能够显示出各阶模态占系统总价值的份额,保留贡献较多的模态组成降阶系统。内平衡降阶准则通过非奇异线性变换,将系统模型转换为内平衡系统,在内平衡系统内舍掉Gram矩阵对角线上较小的值所对应的模态以构成降阶系统。最后,利用数值仿真对中心刚体-单侧挠性梁航天器的非约束模态动力学模型进行模型降阶,通过两种准则对系统模型降阶数值计算,结果表明两种降阶准则均能够有效地对原系统进行模型降阶。

关键词：挠性航天器非约束模态模型降阶模态价值分析准则内平衡降阶准则

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大型挠性航天器的鲁棒模型预测姿态控制

宇航学报 2022年第4期43卷 476-485页

作者：管萍吴希岩戈新生曹彧腾北京信息科技大学自动化学院北京100192

针对大型挠性航天器的三轴姿态控制问题,考虑了控制输入约束,设计了鲁棒模型预测姿态控制器。首先,将模型预测控制应用到不考虑扰动的标称挠性航天器系统中,通过求解优化问题推导预测控制律,从而得到三轴姿态的标称轨迹。然后,为有效处... 详细信息

针对大型挠性航天器的三轴姿态控制问题,考虑了控制输入约束,设计了鲁棒模型预测姿态控制器。首先,将模型预测控制应用到不考虑扰动的标称挠性航天器系统中,通过求解优化问题推导预测控制律,从而得到三轴姿态的标称轨迹。然后,为有效处理大型挠性附件振动对中心刚体姿态造成的扰动,针对带有扰动的挠性航天器实际姿态控制系统,设计由最优状态与实际系统状态的误差构成的辅助反馈控制器,使实际系统状态维持在以标称轨迹为中心的“管道”(Tube)不变集内,并驱使实际系统状态到达标称轨迹上,最终沿着标称轨迹到达平衡点。仿真结果表明,在鲁棒模型预测控制的作用下,实现了姿态角的快速精确跟踪,有效地处理了由大挠性附件振动对中心刚体姿态产生的扰动,增强了系统的鲁棒性。

关键词：大型挠性航天器姿态控制模型预测控制反馈控制振动抑制

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基于模糊PD控制的柔性航天器振动抑制研究

计算机仿真 2022年第3期39卷 52-56,209页

作者：支敬德戈新生北京信息科技大学自动化学院北京100192 北京信息科技大学机电工程学院北京100192

研究柔性结构振动与航天器姿态运动的刚柔耦合的控制问题,采用非约束模态法对柔性航天器构建适合控制器设计的状态空间模型。针对柔性航天器姿态机动控制问题,根据期望姿态角度与实际姿态角度给出的姿态信息得出姿态误差信号,以此信号... 详细信息

研究柔性结构振动与航天器姿态运动的刚柔耦合的控制问题,采用非约束模态法对柔性航天器构建适合控制器设计的状态空间模型。针对柔性航天器姿态机动控制问题,根据期望姿态角度与实际姿态角度给出的姿态信息得出姿态误差信号,以此信号设计了一种PD控制律。考虑到柔性航天器初始阶段姿态角速度过大的情况,在原有的PD控制基础上,加入了模糊控制,不仅减小了控制力矩输出,而且满足柔性航天器姿态机动要求的同时能有效抑制振动。数值仿真结果表明,所设计的模糊PD控制律是有效可行的,且有良好的控制性能。

关键词：柔性航天器非约束模态模糊控制姿态机动振动抑制

带有万向联轴节双刚体航天器姿态运动的最优控制

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工程力学 2009年第9期26卷 201-207,214页

作者：戈新生吕杰北京信息科技大学机电工程学院北京100192 北京航空材料研究院北京100095

带有万向联轴节联结的双刚体航天器系统在无外力矩作用时,其姿态运动可通过联结双刚体航天器的万向联轴节进行控制,这种由控制输入数目少于系统自由度的系统称为欠驱动系统。该文利用系统相对于总质心的动量矩守恒这一特性研究了欠驱动... 详细信息

带有万向联轴节联结的双刚体航天器系统在无外力矩作用时,其姿态运动可通过联结双刚体航天器的万向联轴节进行控制,这种由控制输入数目少于系统自由度的系统称为欠驱动系统。该文利用系统相对于总质心的动量矩守恒这一特性研究了欠驱动双刚体航天器的三维姿态运动控制问题。导出带有万向联轴节联结的双刚体航天器系统三维姿态运动控制模型,并将系统的控制问题转化为无漂移系统的运动规划问题,利用最优控制技术和小波分析方法,提出基于小波逼近的遗传算法最优运动规划数值算法。通过数值仿真,表明该方法对有万向联轴节联结的欠驱动双刚体航天器三维姿态运动的运动规划是有效的。

关键词：欠驱动双刚体航天器姿态运动最优控制小波分析

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柔性腿无缘轮被动动态行走器建模与分析

应用力学学报 2023年

作者：张奇志戈新生周亚丽赵秋玲北京信息科技大学自动化学院

研究柔性腿无缘轮被动动态行走器建模，并分析阻尼系数对系统动力学的影响。根据行走器的几何特征，选择独立广义坐标描述系统的位置，使用第二类拉格朗日方程建立柔性腿无缘轮被动动态行走器的动力学模型。对柔性腿的结构和物理性质进... 详细信息

研究柔性腿无缘轮被动动态行走器建模，并分析阻尼系数对系统动力学的影响。根据行走器的几何特征，选择独立广义坐标描述系统的位置，使用第二类拉格朗日方程建立柔性腿无缘轮被动动态行走器的动力学模型。对柔性腿的结构和物理性质进行分析，得到腿与地面的冲击阶段伸缩腿的切向发生冲击，而径向不传递冲击力的结论，并提出部分冲击假设条件下的状态跳变模型。采用不同的阻尼参数进行柔性腿无缘轮被动动态行走的数值仿真，结果验证了所提方法的有效性。选择较大的阻尼系数，周期行走的双支撑阶段占整个行走周期的77.6%，单支撑阶段占整个行走周期的22.4%，斜坡角度在0.1～0.7rad范围内可以实现周期行走。柔性腿无缘轮可被动动态行走的斜坡角度，随着阻尼系数的减小而减小。

关键词：被动动态行走冲击模型极限环柔性腿无缘轮