• 2021年第19卷第2期文章目次
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    • 考虑星历的火卫一邻近区域限制性多体问题建模与分析

      2021, 19(2):1-7. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-105

      摘要 (140) HTML (84) PDF 2.79 M (234) 评论 (0) 收藏

      摘要:火星及其天然卫星火卫一在深空探测领域的重要性日渐显现.由于火星强烈的三体引力摄动,传统二体问题下的受摄开普勒轨道在火卫一的邻近区域无法存在,研究探测器在火卫一邻近区域的轨道运动时,需要建立限制性多体问题模型.为提高现有轨道模型精度,在火卫一本体系建立了一种考虑星历的限制性多体动力学模型.该模型考虑的因素有:考虑真实星历、真实姿态运动与多面体引力势的火卫一引力;考虑J2项的火星三体引力摄动;太阳,地球及木星的三体引力摄动.在保留上述高精度模型主要特征的基础上,为减小数值仿真计算量,对该模型进行简化,提出了考虑火卫一简谐天平动和球谐引力势的椭圆型限制性三体问题模型.在两种模型和现有动力学模型中,对准卫星轨道进行仿真,分析了轨道的形状和星下点轨迹,证实了本文提出的两种模型在轨道设计中的必要性.

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    • 基于刚体卫星绳系编队系统的动力学建模及姿态控制

      2021, 19(2):8-14. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-106

      摘要 (113) HTML (73) PDF 1.02 M (292) 评论 (0) 收藏

      摘要:多体绳系卫星编队系统具有观测范围广、可操作性强、稳定性强等优点,可实现深空探究、大气探测、空间碎片清理等空间作业.三体绳系卫星编队系统是三颗卫星首尾一次通过系绳相连接,形成三角形形状的编队系统,可通过自旋保持空间相对位置稳定.现有的对于三体绳系编队系统的理论研究中,大都将卫星视为质点,简化动力学模型,但与实际情况出入较大.为更符合实际情况,考虑卫星的刚体姿态的影响,采用Newton-Euler法进行三体绳系编队系统的耦合动力学模型的建立.以四元数法为基础,避免出现使方程不可求解的奇异值,忽略空间环境影响及系绳质量,建立考虑系绳张力影响下的动力学模型.基于已有的动力学模型,通过改变系绳连接处位置,进行不同初始条件下动力学仿真分析,得到其动力学响应.当系统内系绳连接处位置不过卫星刚体质心时,系绳拉力产生的扭矩会造成卫星姿态的不稳定,会对系统正常工作造成影响.因此通过主动控制方法,例如变结构控制方法以及基于单神经元的自适应PID控制方法等方法对卫星姿态进行控制,通过仿真验证了控制律的有效性.

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    • 地月L2点中继星捕获域研究

      2021, 19(2):15-21. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-070

      摘要 (46) HTML (51) PDF 1.84 M (310) 评论 (0) 收藏

      摘要:嫦娥四号中继星“鹊桥”的标称使命轨道为地月L2点附近振幅和方向均确定的halo轨道.在使命轨道外,中继星可以捕获为绕飞地月L2点的其他轨道,仍能够为位于月球背面的着陆器、巡视器提供地月中继通信服务.捕获域可以直观定量地表现中继星在地月L2点附近被捕获的能力与范围.针对地月L2点中继星的捕获域开展了系统研究,从月掩、中继通信、轨道维持控制等方面分析了中继星在地月L2点附近捕获的效果.对地月L2点中继星任务轨道捕获相关的影响因素设计了量化分析方法,并基于实际任务数据对研究内容进行了仿真验证.研究结果表明,相较使命轨道,其他捕获轨道在中继通信服务效果方面有所改变,捕获域内对中继通信的影响可以基于计算结果进行量化区分.地月L2点中继星捕获域分析有助于为后续相关工程任务轨道设计提供技术积累与参考.

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    • 旋转目标的多星协同近距离姿轨耦合控制

      2021, 19(2):22-31. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-115

      摘要 (39) HTML (37) PDF 10.54 M (218) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对多星快速绕飞与同步逼近吸附旋转目标的近距离协同操作任务,首先,考虑旋转目标、观测星和逼近星的大小及形状,基于相对轨道和相对姿态动力学模型,分析设计了适用于空间任意方位的期望绕飞平面和期望姿态指向:观测星期望姿态保持观测设备始终指向旋转目标,逼近星期望姿态保持与目标星姿态同步;然后,考虑碰撞规避,推导了基于误差四元数和误差角速度反馈的比例-微分控制律以及一种基于人工势场法的近距离安全制导控制方法,通过二者相结合对相对姿态及相对轨道进行控制;最后,通过3星观测、2星逼近的近距离操作问题对提出的方法进行测试.仿真结果表明,3颗观测星均能够成功躲避其它卫星碰撞,并沿着期望的轨道运行,2颗逼近星能够同时安全逼近,并吸附到目标表面设定位置,观测星和逼近星实际姿态均能快速收敛到期望值,验证了提出控制方法的有效性.

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    • 编队航天器构型重构过程中的期望轨迹跟踪控制

      2021, 19(2):32-36. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-116

      摘要 (46) HTML (45) PDF 0.00 Byte (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对编队航天器构型重构过程中期望轨迹跟踪控制问题,推导了参考模型输出跟踪控制律,给出了控制律求解方法;应用多项式插值原理给出了直线逼近、定点悬停以及快速绕飞等典型飞行模式下期望轨迹的数学描述;将航天器轨道相对动力学方程作为被控对象,将期望轨迹的数学描述作为参考模型,设计了一种将被控对象的状态反馈和参考模型的状态前馈结合的组合控制器.数值仿真验证表明该控制器性能优良,误差收敛快,跟踪精度高,具有一定的理论研究价值,同时对工程实际也具有指导意义.

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    • 外部扰动下空间机器人基于扰动观测器的鲁棒控制

      2021, 19(2):37-42. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-071

      摘要 (62) HTML (43) PDF 863.57 K (300) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对参数不确定及存在外部扰动的情况下,载体位置不控、姿态受控的漂浮基空间机器人末端抓手轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于扰动观测器的鲁棒控制方法.结合动量守恒定律,采用拉格朗日第二类方程建立了系统动力学方程.假设外部扰动是随时间变化的未知量,设计了扰动观测器估计由外部干扰和参数不确定构成的总扰动,并基于估计的总扰动引入扰动补偿项,保证了系统的控制性能.根据Lyapunov稳定性理论,证明了文中所提出控制律的稳定性.该控制律能补偿由于参数不确定和外部扰动引起的总扰动,从而提高了系统的轨迹跟踪性能.所提出的控制方案与传统鲁棒控制方案相比,具有控制器结构简单,不需要测量机械臂角加速度及基座的位置、移动速度、移动加速度,系统所需的传感器数量少等优点.最后通过数值仿真模拟,验证了上述控制方案的有效性.

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    • 电动汽车湿式双离合变速器换挡动力学仿真

      2021, 19(2):43-53. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-074

      摘要 (59) HTML (60) PDF 1.26 M (306) 评论 (0) 收藏

      摘要:双离合变速器是现代电动汽车的关键部件之一.文中介绍了湿式双离合变速器换挡的基本原理和控制方式,并对湿式双离合器变速器换挡动态过程进行了研究.为研究湿式离合器接合过程的动力学特性,分别采用库伦摩擦模型与采用平均流量模型及微凸体接触理论对双离合变速器建模,讨论两种模型仿真结果的差异.研究表明,湿式离合器的转矩响应具有显著的滞后性,而库伦摩擦模型无法体现该滞后性.基于湿式离合器的动力学模型研究双离合变速器的换挡控制策略的力矩中断,并与库伦摩擦模型的仿真结果做出对比,结果显示,引入平均流量模型和微凸体接触模型的湿式双离合变速器模型更能准确反映换挡过程中传递转矩动态特性.

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    • 弹架间隙对导弹发射扰动的影响特性研究

      2021, 19(2):54-60. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-075

      摘要 (47) HTML (31) PDF 2.48 M (188) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对火箭导弹发射过程中弹架间隙产生的初始扰动问题,提出随机扰动激励与多体动力学相结合的计算方法.该方法以多体动力学为基础,建立能够模拟导弹与发射架相互作用的动力学模型,将赫兹碰撞接触算法、随机过载模型与多体动力学模型相耦合,可计算获得初始扰动的响应参数.通过对含发射架的导弹实例分析,结果表明:此耦合模型能够有效模拟弹架间隙对导弹发射扰动的影响状态;导弹弹体支脚与发射架间的间隙过大,会导致导弹在发射过程中(离轨前)产生较大的随机扰动力,使得弹体在离轨后的Y向和Z向的姿态产生较大偏差,在发射离轨后产生较大的散布效应.该方法可为研究弹架间隙对发射扰动的影响提供有效的参考,也可以为同类导弹初始扰动的分析提供借鉴.

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    • 含变质量负载的双连杆机械臂振动控制

      2021, 19(2):61-68. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-076

      摘要 (73) HTML (90) PDF 1.95 M (269) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文研究了一种具有变质量负载的双连杆机械臂结构的振动反馈控制.利用刚体动力学方法计算了随时间变化的惯性力,包括伺服电机、端点时变质量负载和连杆分布质量引起的惯性力.基于有限元理论建立了双连杆-变质量结构的动力学模型,并使用Bathe法求解该时变系统动力学方程,根据响应分析了质量变化对系统动力学特性的影响,发现当质量改变时,质量变化诱发了系统残余振动幅值的剧烈变化,主要原因是质量变化引起了一个阻尼力的作用.在动力学特性分析的基础上,通过速度比例负反馈控制器,利用压电材料实现结构残余振动的主动控制.开展了多种工况下双连杆机械臂结构的残余振动控制仿真,包括随时间增大的质量负载和随时间减小的质量负载,以及典型运动形式下的双连杆.结果表明通过施加反馈控制可以有效抑制结构的残余振动,提高机械臂的运动稳定性和定位精度.

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    • 基于Lagrange插值多项式拟合的力学系统的变分积分子

      2021, 19(2):69-77. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-077

      摘要 (72) HTML (41) PDF 880.84 K (252) 评论 (0) 收藏

      摘要:变分积分子是通过直接离散变分原理得到的一类特殊的动力学系统的数值差分格式,较之传统差分格式呈现出明显的计算优越性.由离散Euler-Lagrange方程的形式可知,变分积分子的构造过程最终归结为计算离散Lagrange函数的偏导数,其中离散Lagrange函数是Lagrange函数在单个时间步长的积分,通常由经典求积公式近似得到.根据离散Lagrange函数的积分表达式,解析计算其偏导数会随之衍生一个新的且与连续Euler-Lagrange方程密切关联的积分,因此,构造变分积分子就可以不再以通过经典求积公式得到的具体形式的离散Lagrange函数为前提,而是可以直接基于一组离散结点近似新衍生的积分.在这些离散结点处,如果进一步让系统的拟合轨迹严格满足Euler-Lagrange方程,即运动方程,那么新的积分自动为零,相应地,计算离散Lagrange函数的偏导数就简化为计算连续Lagrange函数关于速度变量的偏导数.这种新的构造方式同时结合了连续和离散的Euler-Lagrange方程,不仅让最终得到的差分格式仍然继承了变分积分子特有的优越计算性能,而且在同阶精度的情况下具有更小的局部误差.

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    • 漂浮基空间机械臂的反演滑模容错控制

      2021, 19(2):78-84. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-114

      摘要 (46) HTML (45) PDF 1.35 M (230) 评论 (0) 收藏

      摘要:讨论了载体位置不受控制的情况下,漂浮基三杆空间机械臂系统的滑模容错控制问题.选择合适的坐标系,利用拉格朗日第二动力学方程,结合系统质心定义,根据系统动量守恒原理,建立漂浮基三杆空间机械臂系统的动力学方程.依据非奇异滑模控制和积分滑模控制理论提出切换函数,基于反演的控制策略,结合高阶滑模控制理论,提出了一个新型的控制率,实现了对空间械臂系统的稳定控制.该控制方法同时具有了高阶滑模控制、非奇异滑模控制和积分滑模控制的特性,抖震小、非奇异并且响应速率快.为了实现在故障函数、故障大小未知的状态下,依旧能够实现稳定控制,提出了一个新的自适应率,该自适应率提高了系统对故障的容错能力.最后通过MATLAB仿真验证了所提出的控制方法的有效性,证明了在机械臂发生故障的情况下能够快速、稳定的实现轨迹控制,并且具有较高的精度.

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    • 萤火虫算法求解多体系统动力学微分-代数方程

      2021, 19(2):85-90. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-113

      摘要 (40) HTML (48) PDF 830.75 K (280) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对多体系统动力学微分-代数方程求解问题,研究基于萤火虫算法的求解方法. 首先将广义坐标和广义速度进行Lagrange插值,结合Gauss数值积分方法,将微分-代数方程求解问题转化成求解最优化问题.然后用萤火虫算法对问题进行优化求解.最后,通过对平面双连杆机械臂的多体系统仿真实验,验证了萤火虫算法在求解动力学方程中既保持了约束又较好地保证了能量精度.结果表明智能优化算法在求解多体动力学问题上具有较好的应用前景.

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    • 《结构动力学》中多频激励多自由度系统稳态解的新方法

      2021, 19(2):91-98. DOI: 10.6052/1672-6553-2021-016

      摘要 (74) HTML (56) PDF 816.32 K (213) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文建立了一种多频激励下多自由度系统的特征值和稳态解的解析求解新方法.基于叠加原理,首先将稳态响应根据激励频率数量展开成多个简谐响应的叠加;其次,根据简谐平衡原理,将弹簧力、激励荷载以及惯性力分解成同样个数的对应荷载叠加;再次,根据达朗贝尔原理建立弹簧和质点的动态平衡方程;最后,根据传递矩阵法进行求解.通过4自由度系统的算例表明该方法求解结果和振型叠加法完全一致.研究表明该方法可同时求解特征值问题和系统的稳态解,在求解稳态解时不需先求特征值问题.

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