薄膜结构作为一种可行的大型航天结构解决方案使许多创新的航天任务得以实施,如:薄膜天线、薄膜太阳翼、薄膜太阳帆等。由于这类通过张拉成型的薄膜结构具有非线性强、刚度低、阻尼弱、频率低等动力学特性,使其在空间环境干扰或航天器机动载荷作用下,极易产生大幅变形或持续振动。而薄膜结构的变形和振动会严重降低有效载荷的形面精度和航天器的指向精度。因此,开展航天器薄膜结构变形和振动控制研究具有重要意义。本文针对一类航天薄膜结构,从理论分析、数值仿真和实验验证三个方面,系统开展了力学建模与分析、智能变形控制方法、智能振动控制方法等研究。论文主要工作概况如下:1、建立了薄膜结构机电耦合力学模型,提出了薄膜结构找形与褶皱模拟方法,分析了薄膜结构的动力学特性与响应规律。(1)针对张拉成型的非线性薄膜结构,基于非线性有限元理论,建立了含内压力柔性梁单元、含内张力柔性索单元、含内张力薄膜单元的非线性力学模型;针对含压电智能材料的薄膜结构控制单元,建立了片式和杆式控制单元的机电耦合力学模型;在此基础上,建立了含压电控制单元薄膜结构的机电耦合一体化动力学模型。(2)提出了薄膜结构的改进的非线性力密度找形方法,根据单元应力直接计算得到索单元等效力密度,使找形误差更小,薄膜周边应力分布更加均匀;基于结构稳定性理论提出了薄膜结构褶皱模拟方法,分析得到了薄膜结构在对角张力作用下褶皱发展规律。(3)分析了薄膜结构的动力学特性、内张力对薄膜结构动力学特性的影响规律;建立了空间环境干扰载荷和航天器机动载荷的计算模型,分析了这些载荷作用下薄膜结构的变形与振动响应情况;结果表明,在轨薄膜结构可能经历大幅变形和持续振动。2、提出了薄膜结构的智能混合优化变形控制方法,通过数值仿真验证了方法有效性。(1)提出了框架直线度和膜面平面度两项关键指标来衡量结构的变形程度;针对框架变形和膜面变形,分别提出了基于压电片的框架变形控制方法、基于连接点位置调节的膜面变形控制方法,并将变形控制问题转化为多变量约束优化问题。(2)结合进化算法和局部搜索算法,提出了薄膜结构变形控制的智能混合优化算法;针对薄膜框架结构和薄膜膜面结构的变形控制问题,开展了数值仿真验证,结果表明:提出的智能混合优化变形控制方法能有效控制结构变形。3、提出了薄膜结构的三类智能模糊振动控制方法,提高了大型薄膜结构振动控制器的鲁棒性、自适应性和可靠性。(1)针对大型薄膜结构振动幅值难以准确预知的问题,提出了变论域自适应模糊振动控制方法;该方法通过论域自适应调整,使控制器的输入随着结构振动幅值变化而变化;仿真结果表明:该方法对于不同幅值的振动工况均取得较好控制效果,提升了模糊控制器对结构振动幅值的鲁棒性。(2)针对模糊控制器中规则库难以适应结构参数变化问题,提出了在线学习模糊振动控制方法;该方法通过增强学习算法,在线修改模糊控制规则库,即使结构参数发生变化后,也能快速实现振动的有效控制;仿真结果表明:所提出的方法仅需要被控对象少量信息,且能在很短时间内获得较好的控制效果。(3)针对传统集中控制方法的局限性,提出了薄膜结构的自律分散化模糊振动控制方法;该方法结合分散化控制和模糊控制的思想,将大型复杂系统划分成若干子系统,对每个子系统设计模糊控制器;仿真结果表明:该方法能有效控制系统振动,并在个别子系统故障情况下仍能实现有效控制。4、建立了薄膜结构变形与振动控制的地面试验系统,开展了动力学特性测试、变形控制与振动控制的地面实验。(1)设计并研制了大型薄膜结构试验件,构建了基于激光扫描测量的动力学特性测试系统、基于双相机交汇测量的薄膜结构变形测量系统,研制了基于压电堆的框架结构变形与振动控制装置、基于步进电机的薄膜膜面位置调节装置,形成了大型薄膜结构变形与振动控制地面试验系统。(2)开展了薄膜结构动力学特性测试、变形测量与变形控制、振动控制等实验研究,实验结果表明:仿真计算的前四阶频率与动力学特性测试结果误差均小于15%,验证了动力学模型的正确性;采用智能混合优化变形控制方法可使薄膜结构的变形控制精度优于3mm(3?);实验结果进一步表明所提出的智能模糊振动控制方法能有效抑制结构振动。通过论文研究,为解决航天器薄膜结构的非线性力学建模、结构变形和振动控制问题奠定了理论基础,也为航天器薄膜结构的设计、制造和应用提供了理论参考。