航天器撓性參數(shù)的在軌辨識與模型修正.pdf

1、隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，大型柔性附件在現(xiàn)代航天器結構中得到了越來越廣泛的應用，這導致系統(tǒng)整體具有很大的撓性，使得結構的模態(tài)頻率低且密集、結構阻尼小。對于這種大型撓性結構，即使是在1G的重力環(huán)境中，許多時候單純組裝系統(tǒng)都十分困難，進行模態(tài)試驗的難度就更大了，而且地面的試驗設備有時也無法滿足模態(tài)試驗的要求。另一方面，航天器的撓性參數(shù)，特別是太陽能帆板的振動頻率是航天器控制系統(tǒng)關注的重要參數(shù)之一，它對航天器的在軌姿態(tài)控制精度等具有重要影響。由

2、于地面環(huán)境和太空環(huán)境的不同，帆板在兩種環(huán)境下的振動行為也將不同，這會導致地面試驗與實際在軌狀態(tài)之間存在差異。因此，有必要開展航天器撓性參數(shù)的在軌辨識技術的研究，以提高撓性參數(shù)的辨識精度，為航天器的姿軌控提供參數(shù)保障。航天器在軌模態(tài)試驗所呈現(xiàn)的是航天器的真實振動行為，因此通過辨識所得到的航天器撓性參數(shù)也將能夠反映出真實情況，所以采用該參數(shù)進行航天器的姿態(tài)控制將能夠得到更高的姿態(tài)控制精度。由于航天器撓性參數(shù)的辨識需要對系統(tǒng)進行激勵，而航天器

3、的姿態(tài)機動恰恰提供了激勵條件，這為在軌辨識提供了可能。
　　本論文在國家自然科學基金(11132001,11272202)、上海市教委科研重點項目(14ZZ021)和上海市自然科學基金(14ZR1421000)的資助下，開展航天器撓性參數(shù)在軌辨識技術的研究，主要研究內容和成果總結如下：
　　（1）本文采用基于觀測器/Kalman濾波器的系統(tǒng)辨識方法（Observer/Kalman Filter Identification,

4、OKID）和特征系統(tǒng)實現(xiàn)算法（Eigensystem Realization Algorithm,ERA）對航天器結構進行了撓性參數(shù)辨識研究。文中分別以中心剛體-柔性梁系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)和空間站系統(tǒng)為研究對象，開展了基于狀態(tài)信號（位移和速度）的撓性參數(shù)辨識仿真。仿真結果顯示，利用OKID和ERA相結合的辨識方法，可以在不同形式的激勵下利用系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)識別出系統(tǒng)的固有頻率，具有很高的辨識精度。對于空間站結構，本文將參數(shù)辨識結果作為修正

5、目標，采用靈敏度分析方法對空間站的原始有限元模型進行修正。結果表明，利用在軌參數(shù)辨識的結果，可以有效地修正原有的空間站有限元模型，使其更加精確。
　?。?）鑒于加速度傳感器在工程實踐中的廣泛應用，本文推導了基于加速度信號的ERA方法，并開展了航天器基于加速度信號的撓性參數(shù)辨識工作。在仿真過程中，采用粒子群算法（Particle Swarm Optimization,PSO）討論了加速度傳感器在太陽能帆板上的優(yōu)化配置問題，仿真結果表

6、明，PSO能夠有效地確定出傳感器的優(yōu)化位置。對于參數(shù)辨識工作，本文采用白噪聲、脈沖和正弦三種信號作為輸入數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)則由加速度傳感器測量得到，然后利用ERA方法的加速度計算格式進行參數(shù)辨識。計算結果證明，本文所給出的方法能夠準確地識別出系統(tǒng)在不同激勵下的固有頻率。
　?。?）本文分別以中心剛體-柔性梁系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)為研究對象，開展了基于控制信號的撓性參數(shù)辨識技術研究。首先針對兩個研究對象分別設計了最優(yōu)跟蹤控制和姿態(tài)機動控制律；然

7、后，將控制力和系統(tǒng)在受控狀態(tài)下的響應分別作為輸入和輸出數(shù)據(jù)，采用OKID和ERA相結合的方法進行參數(shù)辨識仿真。結果表明，文中所設計的控制律能夠使系統(tǒng)在受控狀態(tài)下達到預定的狀態(tài)；采用控制數(shù)據(jù)辨識得到的結果與理論值十分接近，具有很高的辨識精度。
　　（4）本文研究了僅利用輸出信號進行參數(shù)識別的隨機子空間方法（Stochastic Subspace Identification,SSI），并將其用于航天器的撓性參數(shù)辨識。文中詳細闡述了隨