航天器撓性參數(shù)的在軌辨識(shí)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(jié)構(gòu)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，這導(dǎo)致系統(tǒng)整體具有很大的撓性，使得結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率低且密集、結(jié)構(gòu)阻尼小。對(duì)于這種大型撓性結(jié)構(gòu)，即使是在1G的重力環(huán)境中，許多時(shí)候單純組裝系統(tǒng)都十分困難，進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)的難度就更大了，而且地面的試驗(yàn)設(shè)備有時(shí)也無法滿足模態(tài)試驗(yàn)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(dòng)頻率是航天器控制系統(tǒng)關(guān)注的重要參數(shù)之一，它對(duì)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(dòng)行為也將不同，這會(huì)導(dǎo)致地面試驗(yàn)與實(shí)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(shí)技術(shù)的研究，以提高撓性參數(shù)的辨識(shí)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(yàn)所呈現(xiàn)的是航天器的真實(shí)振動(dòng)行為，因此通過辨識(shí)所得到的航天器撓性參數(shù)也將能夠反映出真實(shí)情況，所以采用該參數(shù)進(jìn)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(shí)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，而航天器

3、的姿態(tài)機(jī)動(dòng)恰恰提供了激勵(lì)條件，這為在軌辨識(shí)提供了可能。
　　本論文在國家自然科學(xué)基金(11132001,11272202)、上海市教委科研重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZZ021)和上海市自然科學(xué)基金(14ZR1421000)的資助下，開展航天器撓性參數(shù)在軌辨識(shí)技術(shù)的研究，主要研究內(nèi)容和成果總結(jié)如下：
　　（1）本文采用基于觀測(cè)器/Kalman濾波器的系統(tǒng)辨識(shí)方法（Observer/Kalman Filter Identification,

4、OKID）和特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法（Eigensystem Realization Algorithm,ERA）對(duì)航天器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了撓性參數(shù)辨識(shí)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(duì)象，開展了基于狀態(tài)信號(hào)（位移和速度）的撓性參數(shù)辨識(shí)仿真。仿真結(jié)果顯示，利用OKID和ERA相結(jié)合的辨識(shí)方法，可以在不同形式的激勵(lì)下利用系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)識(shí)別出系統(tǒng)的固有頻率，具有很高的辨識(shí)精度。對(duì)于空間站結(jié)構(gòu)，本文將參數(shù)辨識(shí)結(jié)果作為修正

5、目標(biāo)，采用靈敏度分析方法對(duì)空間站的原始有限元模型進(jìn)行修正。結(jié)果表明，利用在軌參數(shù)辨識(shí)的結(jié)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(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，本文推導(dǎo)了基于加速度信號(hào)的ERA方法，并開展了航天器基于加速度信號(hào)的撓性參數(shù)辨識(shí)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(jié)果表

6、明，PSO能夠有效地確定出傳感器的優(yōu)化位置。對(duì)于參數(shù)辨識(shí)工作，本文采用白噪聲、脈沖和正弦三種信號(hào)作為輸入數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)則由加速度傳感器測(cè)量得到，然后利用ERA方法的加速度計(jì)算格式進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。計(jì)算結(jié)果證明，本文所給出的方法能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出系統(tǒng)在不同激勵(lì)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(duì)象，開展了基于控制信號(hào)的撓性參數(shù)辨識(shí)技術(shù)研究。首先針對(duì)兩個(gè)研究對(duì)象分別設(shè)計(jì)了最優(yōu)跟蹤控制和姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制律；然

7、后，將控制力和系統(tǒng)在受控狀態(tài)下的響應(yīng)分別作為輸入和輸出數(shù)據(jù)，采用OKID和ERA相結(jié)合的方法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)仿真。結(jié)果表明，文中所設(shè)計(jì)的控制律能夠使系統(tǒng)在受控狀態(tài)下達(dá)到預(yù)定的狀態(tài)；采用控制數(shù)據(jù)辨識(shí)得到的結(jié)果與理論值十分接近，具有很高的辨識(shí)精度。
　　（4）本文研究了僅利用輸出信號(hào)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別的隨機(jī)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(shí)。文中詳細(xì)闡述了隨