空间站机械臂转位控制与振动抑制研究

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1、博士学位论文空间站机械臂转位控制与振动抑制研究TRANSFORMATIONCONTROLANDVIBRATIONSUPPRESSIONOFMANIPULATOROFTHESPACESTATION赵志刚哈尔滨工业大学2013年7月国内图书分类号：V476.1V414.3+3学校代码：10213国际图书分类号：629密级：公开工学博士学位论文空间站机械臂转位控制与振动抑制研究博士研究生：赵志刚导师孙毅教授副导师：赵阳教授申请学位：工学博士学科：固体力学所在单位：航天学院答辩日期：2013年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学

2、ClassifiedIndex:V476.1V414.3+3U.D.C.:629DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTRANSFORMATIONCONTROLANDVIBRATIONSUPPRESSIONOFMANIPULATOROFTHESPACESTATIONCandidate：ZhaoZhigangSupervisor：Prof.SunYiViceSupervisor：Prof.ZhaoYangAcademicDegreeAppliedfor：Doctoro

3、fEngineeringSpeciality：SolidMechanicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：July,2013Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要空间站是人类历史上规模最大的航天器，代表着当今航天领域最全面、最复杂、最先进和最综合的科技水平，在空间生命科学、载人深空探索及新材料加工等诸多科技前沿领域发挥着重要的、其它航天器不可替代的作用。多模块空间站在轨组建过

4、程中，需要利用空间机械臂完成舱体从轴向对接口至径向对接口的转位过程。然而柔性机械臂在执行转位任务过程中，容易激起柔性结构振动，这将影响转位对接的定位精度，严重时甚至给空间站的安全运行带来危险。因此，伴随转位过程应运而生的动力学与控制问题便成为了空间站在轨组建过程中需要解决的关键问题之一。本文重点考虑空间站机械臂转位操作这一关键环节，深入研究其相关动力学与控制问题，包括空间站转位系统的建模、机械臂柔性关节控制及振动抑制等。论文的主要研究内容和学术贡献如下：空间站在舱体转位过程中系统的姿态、偏心量将发生变化，其动力学特性

5、极其复杂。为分析空间站在应用机械臂转位过程中的动力学特性，采用矢量力学方法推导了考虑偏心量的空间站转位系统动力学模型。使用有限元方法描述柔性臂的弹性变形，应用Newton-Euler法建立空间站机械臂转位系统转动方程，采用Lagrange法建立柔性臂振动方程；应用约束模态展开法对动力学方程进行降阶，并系统地分析了柔性机械臂的振动模态。针对机械臂这类柔性机构的主动振动控制问题，提出了负分力合成振动抑制(NegativeComponentSynthesisVibrationSuppression，NCSVS)方法。该方法

6、设计的合成力同时包含正负分力，与传统分力合成(CSVS)方法相比能更迅速地抑制柔性振动。在此基础上，提出了负分力合成理论的若干定理和推论，对定理进行了严格的数学证明；并推广了分力合成方法抑制多阶模态的原则和实现鲁棒性定理，进一步发展和完善了分力合成理论。考虑到分力合成与输入成形主动振动控制方法的区别与联系，提出了改进型负输入成形(ModifiedNegativeInputShaping，MNIS)振动抑制方法。该方法设计成形器的脉冲序列包含多个正负依次交替的脉冲，通过所选择的脉冲数目和系统振动频率与阻尼比构成封闭形式

7、解来直接确定脉冲作用时间和幅值。根据该方法分别针对无阻尼系统和有阻尼系统提出了改进型单位幅值输入成形器和改进型负输入成形器；所设计的改进型负成形器与相应的正成形器相比有更短的时滞时间，可以有效改善系统的上升时间，提高系统响应速度。与相应的负成形器相比，其最主要的优点是：无需对约束条件进行优化，也无需复杂计算，使得成形器的设计非常简单。在此基础上，为进一步提高控制系统的性能，-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文提出了改进型负输入成形和最优控制相结合的振动抑制方法，并采用柔性机械臂模型验证了所提出方法的有效性。研究了空间

8、机械臂柔性关节的高精度轨迹跟踪问题。针对建立的带扰动项和摩擦等非线性因素的柔性关节二阶级联动力学方程，通过设计虚拟控制量对该串级系统引入两个自抗扰控制器进行双闭环控制。控制器通过扩张状态观测器(ESO)实时估计扰动和摩擦等非线性因素并在控制过程中对“总扰动”加以补偿。采用该技术设计的控制器既能满足系统对快速性和稳态精度的要求，同时又有效抑制了电