空间柔性伸杆机构振动抑制的半物理仿真试验.pdfVIP

第 4 8卷第 2 l 期 2 0 1 2 年1 1月 机械工程学报 J 0URNAL OF MECHANI CAL ENGI NEERI NG Vlo1 48 NO 2 1 NO V 2 0 1 2 DoI 1 0 39 01 JM E 2 01 2 21 0 0 8 空间柔性伸杆机构振动抑制的半物理仿真试验水 楚中毅 2 马 静 李 丹 1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京 1 0 0 1 9 1 2 北京航空航天大学惯性技术 国家级重点实验室北京 1 0 0 1 9 1 摘要 研究空间柔性伸杆机构的振动抑制问题 提出一种基于伸杆机构 自适应指令整形 Ad a p t iv e in p u t s h a p e r AI S 与航天器 本体输出反馈控制相结合的复合控制策略 基于经验传递函数估计方法 E m p i r i ca l t r a n s r f u n ct i o n e s t i ma t e E T F E 建立最优 指令整形器 Op t im a l a r b it r a r y i n p u t s h a p e r O AI S 的自调整机制 得到改进的自适应指令整形器 以金字塔构型的单框架控制 力矩陀螺簇 S i n g l e g imb a l co n t r o l mo me n t g y r o s S G C MGs 为本体执行机构 详细设计基于实时仿真机 P MAC实时运动控制 板卡 S GC MG s 等实物的半物理仿真试验平台 在考虑环境干扰力矩以及执行机构控制受限的情况 F 对控制方法进行半物理 仿真试验验证 结果表明 与基于 0 A I S及无指令整形前馈控制的复合控制方法相比 提出的控制方法可有效抑制伸杆机构 的低频振动 实现航天器本体姿态的精确跟踪和伸杆机构的高精度指向控制 关键词 柔性伸杆机构半物理仿真试验振动抑制 自适应指令整形器 中图分类号 T P 2 4 1 S e mi ph y s ica l S im u l a t io n Ex pe r im e n t s o n Vib r a t io n Co n t r o l o f Fl e x ib l e S pa ce M a n ip u l a t o r CHU Zh o n g y i M A J in g LI Da n 1 S ch o o l o f I n s t r u me n t a t io n S cie n ce a n d O p t o e l e ct r o n ics B e i h a n g Un iv e r s it y B e i j in g 1 0 0 1 9 1 2 S cie n ce T e ch n o l o g y o n I n e r t ia l L a b o r a t o r y B e ih a n g U n i v e r s i ty B e i j in g 1 0 0 1 9 1 Ab s t r a ct A s ch e me o f a d a p t i v e i n p u t s h a p e r AI S co mb i n e d wi t h o u t p u t f e e d b a ck co n tr o l l e r is p r o p o s e d t o s u p p r e s s t h e v i b r a t io n o f fl e x ib l e s p a ce ma n ip u l a t o r AI S i s o b t a i n e d b y o p t i ma l a r b i tr a r y i n p u t s h a p e r OA I S wi t h a u t o a d j u s t i n g me ch a n is m wh ich i s d e d u ce d w it h the e mp i r ica l 觚ms f e r f u n ct i o n e s t i ma t e E T F E t e ch n i q u e T a k in g s in g l e g imb a l co n t r o l mo me n t g y r o s S G C MGs wi t h p y r a mid t y p e co n fi g u r a t io n a s b o d y a ct u a t o r s e mi p h y s ica l s imu l a t io n e x p e ri me n t a l p l a t f o r m is e s t a b l is h e d b a s e d o n r e a l t ime s imu l a t o r P MAC mo t io n co n t r o l l e r an d S GCMGs By c o n s id e ri n g the e ffe ct o f e n v ir o n m e n t d is t u r b an ce a n d a ct u a t o r l imitat io n s e mi p h y s ica l s imu l a t io n e x p e ri me n t s o f t h e co n tr o l s ch e me a r e imp l e me n t e d Th e e x p e ri m e n t r e s u l t s v a l id a t e t h a t t h e p r o p o s e d s ch e me C an r e a l iz e h ig h p r e cis io n p o in t in g co n t r o l o f ma n ip u l a t o r a s we l l a s a ccu r a t e a t t itud e s tab il iz a t io n o f b o d y s p a ce cr a f t co mp a r e d wit h t h e OAI S an d co n v e n t io n a l co n t r o l me t h o d s t h e p r o p o s e d s ch e me C an s u p p r e s s t h e r e s id u a l v ib r a t io n e ffe ct iv e l y Ke y wo r d s F l e x i b l e s p a c e mani p u l a t o r S e mi p h y s i ca l s i mu l a t i o n e x p e ri me n t Vi b r a t io n s u p p r e s s i o n Ad a p t iv e in p u t s h a p e r 0 前言 随着航天技 术的发展 小卫星 由于研制 周期 短 生产成本相对较低等优点 逐渐成为空间环境 探测的主体 而且对姿态稳定控制和敏捷机动能力 的要求 日益增强 因此 小卫星通常采用单框架控 国家 自然科学基金 5 0 9 0 5 0 0 6 和高等学校博士学科点专项科研基金 2 0 0 9 1 1 0 2 1 2 0 0 2 7 资助项 目 2 0 1 1 1 2 2 8收到初稿 2 0 1 2 0 7 2 4 收到修改稿 制力矩陀螺作为本体控制系统的执行机构 其输出 力矩大 控制效率高 更易于实现快速机动 快速 稳定的性能要求 同时 为保证空间探测数据的准 确性 避免本体的干扰 必须采用伸杆或机械臂支 撑各类探测载荷 使其远离卫星本体 携带柔性伸 杆机构的航天器工作于真空 微重力状态 受外部 扰动或本体机动 极易产生振动 严重影响其指 向 精度和姿态控制精度 因此 空间柔性伸杆机构的 振动抑制 问题是这类航天器设计的关键技术之一 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 2年 1 1 月 楚中毅等 空间柔性伸杆机构振动抑制的半物理仿真试验 9 针对柔性系统的振动抑制 问题 国内外诸多学 者 已进行了大量研究 包括 自适应 变结构L 2 线性二次调节 L i n e a r q u a d r a t i c r e g u l a t o r L QR J 动 态逆和 u综合 钔 模糊 孓 和神经网络控制 7 等方法 这些控制方法虽然在柔性系统振动控制中得到广泛 的应用 但通常情况下 算法较为复杂 控制精度 严重依赖于数学模型的精确程度和测量数据的准确 程度 指令整形作为简单而有效的开环控制技术 是对上述方法的有益补充 文献 8 将航天器本体反 馈控制与指令整形技术相结合 在航天器本体姿态 机动的同时 对柔性 附件的残余振动进行有效抑制 但其鲁棒性较差 最优指令整形 O p t i ma l a r b i t r a r y i n p u t s h a p e r O AI S 因其时滞选择不受系统参数的 影响 成为常用 的整形器设计方案之一L 9 在此基 础上 如何在固定脉冲序列和时滞 的条件下 构造 滤波器系数的自适应机制 是进一步提高残余振动 抑制性能的关键 在这方面 文献 1 0 利用经验传 递 函数估计法 E mp i r i c a l t r a n s f e r f u n c t i o n e s t i ma t e E T F E 对指令整形器的设计参数进行估计 并且通 过测量柔性附件连接航天器本体的根部弯矩信息设 计 了有 限冲击的指令整形器 是一种提高指令整形 器鲁棒性的有益尝试 另一方面 仿真试验研究是空间飞行器控制系 统设计过程 中必不可少 的环节 同时也是控制系统 性能鉴定与优化设计的有效手段 半物理仿真试验 是在数学仿真的基础上 对某些对象采用实物接入 在保证不失仿真可靠性的同时 降低 了试验成本 缩短了试验周期 本文利用实时仿真机 P MAC实时运动控制板 卡 单框架控制力矩 陀螺簇 S i n g l e g i mb a l c o n tr o l mo me n t g y r o s S GC MGs 等实物 设计并搭建了以 金字塔构型 S G C MG s为本体执行机构的半物理仿 真试验平台 且详细讨论 了空间柔性伸杆机构的动 力学建模和振动控制等问题 最终基于所搭建的试 验平台 开展 了空间柔性伸杆机构振动抑制的半物 理仿真试验研究 试验 结果证 明了半物理仿真系统 方案 的可行性与本文控制方法的有效性 1 半物理仿真试验系统设计 1 1 空间柔性伸杆机构 的动力学模型分析 不失一般性 考虑作平面运动的空间柔性伸杆 机构 u 忽略其平面外柔性的影响 其简化模型如 图 1 所示 该系统 由航天器刚性本体 柔性伸杆机构 和 以及末端刚性载荷 构成 该系统定义如下 O XY为惯性坐标系 D n Xo Y o 为航天器本体坐标系 0 f 1 2 3 为各伸杆关节坐标系 刚性载体 在惯性坐标系下 的坐标为 R X o Y o 将 简化为长度 质量 m 的刚性杆 与柔性机构 相 连 伸杆 及 及 的质量分别为 m m m 3 长度分别为 厶 厶 为刚性载体 与 O X轴 的夹角 分别为伸杆 及 与航 天器本体坐标系 轴的夹角 D 图 l 空 间柔性伸杆机 构模型 首先确定系统的动能 r r 一 v T v 吉 圣 m e 1 式中 为杆 f 的线密度 为杆 f 在惯性坐标系下 的速度 m 为广义质量矩阵 垡为广义坐标矢量 g X o Y o O o 分 别为杆 1 2的模态位移 系统的势能与柔性伸杆 的弯曲变形运动有关 势能的表达式为 1 2 z a 2 u i J d x i I幻 2 式中 为杆 i 的弯 曲刚度 U i f 为振动弯 曲 变形 函数 为刚度矩 阵 假设 F 为作用于航天器本体的控制力 为作用于本体 的控制力矩 和 分别为作用 于伸杆关节处的控制力矩 和 分别为作用于 柔 性 杆1 2 的分 布 内力 矩 现 定 义 控 制 力 F r o T 2 根据虚功原理 可得到广义力 f 且 f G F 现定义拉格 朗日函数 Z q 圣 T一己 3 对拉格 朗日函数求微分 可得动态系统的耦合 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 2年 1 1月 楚中毅等 空间柔性伸杆机构振动抑制的半物理仿真试验 模态截断准则 在仅计算柔性杆一阶模态的情况下 设计指令整形器 规划期望 的输入指令 的各参数进行归一化处理 可得 假设 时刻期望机动姿态角到达 实时规划 其 中 的姿态角 0 等 等 o f 0 0 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l2 机械工程学报 第4 8卷第 2 1 期 3 半物理仿真试验研究 在试验 过程 中 采用 的模 型物理参数 同文献 1 1 在动力学的刚柔耦合 问题 中 弹性体的低阶 模态振动会对本体姿态产生较大的影响 故在本文 的分析研究中 为简化计算 仅考虑柔性伸杆机构 的一阶模态 假设航天器运行在高度为 3 0 0 k m 的 椭 圆轨道 外界环境干扰力矩的综合表达式为 I m 1 0 co s c o o t 1 M咖 1 0 3 co s c o o t 1 5 s i n c o o t M 1 0 2 co s c o o t 1 5 s i n c o o t 轨道角速度 c o o 0 0 0 1 1 6 r a d s 试验条件如下所述 1 试验平台参数初始条件 执行机构的金字 塔塔面倾角 5 4 7 3 初始框架角 框架角速度 均为零 飞轮 的转动惯量 J w 2 1 7 1 0 k g m 柔 性伸杆 l 的固有角频率 c o 0 0 2 4 5 r a d S 柔性伸 杆 2 的固有 角频率 co 0 0 9 8 2 r a d s 阻尼系数 0 2 航天器本体单轴机动 2 0 0 S 机动 2 0 即 2 0 姿态角速度的初始值 t o 0 柔性伸杆关节 l 和柔性伸杆关节 2的期望转 角 1 0 0 S 机动 6 1 2 即a c 6 2 1 2 3 指令整形器的参数设计 9 0 S 柔性伸杆 关节 l 的 P D 控制器 参数设 计 K 30 1 45 0 柔性伸 杆关节 2 的 P D 控制 器参数 设计 KP 2 3 0 2 3 8 0 4 本体输 出反馈控制器的参数设计 k 1 0 3 5 0 0 4 2 N m 在半物理仿真过程中 考虑空间柔性伸杆机构 与本体的动力学耦合作用 环境干扰力矩的影响以 及本体执行机构控制受 限的情况下 设计 了三种基 于不 同类型整形器前馈 的复合控制方法 本文控制 方法 OAI S控制方法 以及无整形器的常规控制方 法 图 4 6为三种控制方法的结果对 比 图 7 8 为 E T F E的频率辨识结果 图 9为试验过程中 三 种控制方法的框架角对比曲线 图 1 0为本体执行机 构中飞轮的实际角速度 为了更加直观地比较三种 控制方法 的抑振效果 下表给出了三种控制方法在 相同试验条件下 本体姿态角与柔性伸杆转角的残 余振动范围 援 j 炼 蛏 将 2 0 2 2 0 0 蛏 幡1 9 9 时间 s a 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 l 2 o o l 4 o o I 6 0 0 l 8 o o 2 0 0 0 时间 s b 图4 本体姿态角跟踪对比 常规控制方法 O A I S 控制方法 A I S 控制方法 辩 娅 辩 控 悻 对阃 t f s 图5 柔性伸杆 1 转角比较 常规控制方法 O AI S 控制方法 AI S 控制方法 辩 控 O 5 0 0 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 机械工程学报 第4 8卷第 2 l期 co n t r o l o f a n o r b i t i n g fl e x i b l e s p a ce cr a f t J A ct a As t r o n a u t i ca 2 0 0 7 6 1 5 7 5 5 8 9 2 张袅娜 参数不确定柔性机械手的神经滑模控制 J 机械工程学报 2 0 1 l 4 7 1 3 1 4 2 Z HANG Nia o n a Ne u r a l s l id in g mo d e co n t r o l f o r fl e x ib l e manip u l a t o r s wi t h u n ce r t a i n p a r a me t e r s J J o u r n a l o f Me ch anica l E n g i n e e r i n g 2 0 1 1 4 7 1 3 1 4 2 3 R AMI N M MO J T A BA M Mane u v e r in g a n d v ib r a t i o n co n tro l o f a f r e e flo a t i n g s p a ce r o b o t wi t h fl e x i b l e a r ms J J o u r n a l o f Dy n a mi c S y s t e ms Me a s ure me n t a n d C o n t r o l 2 0 1 1 1 3 3 0 5 1 0 0 1 1 8 4 MAL E K Z A DE H M NAG HA S H A T AL E B I H A Co n t r o l o f fle x ib l e s p a ce cr a f t u s in g d y n am ic in v e r s io n and p s y n t h e s i s J J o u r n a l o f V i b r a t i o n and C o n tr o l 2 0 1 1 1 7 1 3 1 9 3 8 1 9 5 1 5 洪昭斌 陈力 漂浮基柔性空间机械臂基于奇异摄动 法的模糊控制和柔性振动主动控S U J 机械工程学 报 2 0 1 0 4 6 7 3 5 4 1 H0NG Zh a o b i n CHE N Li Act i v e v i b r a t io n co n tro l a n d f u z z y co n tro l o f fre e fl o a t in g s p a ce fl e x ib l e ma n ip u l a t o r b a s e d o n s i n g u l a r p e r t u r b a t i o n the o r y J J o u rna l o f Me ch anica l E n g i n e e r i n g 2 0 1 0 4 6 7 3 5 4 1 6 A HMAD M A I S MAI L R T R AML I M S V ib r a t i o n co n t r o l o f fl e x ib l e j o i n t mani p u l a t o r u s i n g i n p u t s h a p in g w ith P D t y p e f u z zy l o g ic co n tr o l C I E E E I n t e rna t io n a l S y mp o s iu m o n I n d u s t r ia l El e ctro n ics J u l y 5 8 2 0 0 9 S e o u l Ol y mp ic P a r k t e l S e o u l Ko r e a I S I E 2 0 0 9 l l 8 4 一 l 1 8 9 7 MAC K UN I S W DUP R E E K B HAS I N S Ad a p t iv e n e u tra l n e t wo r k s a t e l l it e a t t it u d e co n t r o l in th e p r e s e n ce o f i n e r t ia and C MG a ct u a t o r unce rt a i n t i e s C 2 0 0 8 Ame r ic an Co n tr o l Co n f e r e n ce J u n e l l 1 3 2 0 0 8 W e s t in S e a t t l e Ho t e l S e a t t l e W a s h in g t o n US A ACC 2 0 0 8 2 9 7 5 2 9 8 0 8 9 1 0 1 2 1 3 1 4 KONG Xia n r e n YANG Z h e n g x ian Co mb in e d f e e d b a ck co n tr o l a n d in p u t s h a p i ng fu r v ib r a t io n s u p p r e s s io n o f fl e x i b l e s p a ce cr a f t C P r o ce e d in g o f t h e 2 0 0 9 I E E E I n t e r n a t io n a l Co n f e r e n ce o n M e ch a t r o n ics an d Au t o ma t io n Au g u s t 9 1 2 2 0 0 9 Ch a n g ch u n Ch in a I CM A 2 00 9 3 25 7 3 26 2 W I LLI AM S Co mma n d s h a p i n g for fl e x i b l e s y s t e ms A r e v i e w o f t h e fi r s t 5 0 y e ars J I n t e rna t io n a l J o u r n a l o f P r e cis i o n E n g i n e e r i n g and Manu f a ct u r i n g 2 0 0 9 1 0 4 1 5 3 1 6 8 HI ROHI S A K W I L L I AM S Ad a p t iv e d e fl e ctio n l imit in g co n tr o l f o r s l e wi n g fl e x i b l e s p a ce s t rnca t r e s J J o u r n a l o f Gu id a n ce C o n t r o l a n d Dy n a mi