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柔性空间结构的动力学参数辨识和振动控制是航天领域研究的重要内容。本文研究了在轨动力学参数辨识方法的特性、扩展以及应用;建立了基于动力学参数辨识的振动控制方法;开发了相应的数值仿真程序,并进行了实验研究。
本文首先介绍了在轨动力学参数辨识的特征系统实现算法(ERA)及它的扩展算法,系统地研究了辨识参数对于辨识精度的影响。数值仿真表明,ERA及其扩展算法对具有低密频,小阻尼特点的柔性空间结构具有很好的辨识能力。另外,为了保证在轨计算的实时性,本文还建立了基于部分奇异值分解的快速ERA算法的完整计算过程,并将其应用到航天器的动力学参数辨识上。
根据辨识和控制的关系,本文建立了三种基于在轨动力学参数辨识的最优控制方法。这些方法的基本思想是运用特征系统实现算法及扩展算法辨识系统的动力学参数,然后基于这些参数设计最优控制器,抑制结构的振动。数值结果表明,这些方法辨识要求的数据少、辨识速度快、对主要振动模态抑制效果明显,适合于柔性空间结构在轨控制。另外,本文还研究了简单时变系统和弱非线性系统的辨识和控制以及上述集成方法对它们的适用性。
根据应变模态和复合模态的概念,本文建立了应变格式和复合格式的ERA辨识方法,充分利用了应变计的优点以及多种传感器各自的优势,更有利于柔性空间结构的应用。另外,在上述两种辨识方法基础上,还建立了基于应变反馈和复合信号反馈的辨识控制集成算法,数值仿真结果表明,这两类方法同样可以有效地抑制结构的振动。
为了检验辨识和控制集成算法的有效性,本文还建立了完整的在轨辨识和控制实验系统,设计了弹性悬臂板、气浮卫星模型等实验。实验结果表明,该方法可以根据不同的辨识结果调整控制器参数,抑制当前激发的模态,适合不同环境下柔性空间结构的振动控制。同时,对于低频结构也有一定的控制效果。最后,本文还设计了悬臂弹性铝板的结构应变模态辨识实验,实验结果同数值仿真结果基本吻合。