大型柔性航天器时变动力学参数在轨辨识方法

摘要

大型柔性航天器结构通常无法在地面进行全尺寸动力学参数辨识实验，而当利用有限元方法对结构进行动力学分析时，由于模型简化、计算误差等影响，难以得到准确的模型参数。在这种条件下，采用在轨辨识方法，可以更为准确地获得航天器系统的动力学参数，从而反映航天器结构的真实运行情况。此外，航天器在轨运行时，大型附件运动、推进剂消耗等因素都可能使得结构的动力学参数发生持续变化。因此开展航天器时变动力学参数的在轨辨识方法研究，不仅可以对已建立的数值模型进行校验，还可以为航天器的控制系统设计与调整提供参考依据，具有重要的工程应用价值。
　　本文考虑大型柔性航天器在轨运行时的动力学参数（模态参数和状态空间模型参数）时变情况，针对航天器周期变化动力学参数的辨识、时变模态参数和状态空间模型参数的递推辨识、以及航天器闭环系统的时变动力学参数辨识等内容开展了系统地研究。论文主要包括以下几部分内容:
　　(1)研究航天器周期变化动力学参数的在轨辨识问题。考虑航天器大型柔性附件转动对系统动力学参数带来的周期性影响，利用周期子空间方法代替通常的重复实验方法，对柔性航天器周期时变的模态参数和相应的状态空间模型参数进行在轨辨识。仿真结果证明这种方法能有效辨识航天器的时变动力学参数。
　　(2)研究航天器时变模态参数的递推在轨辨识问题，提出了一种提高TW-API递推子空间方法计算效率的改进方法。首先，针对基于奇异值分解(SVD)的辨识方法计算量较大的问题，采用基于信号子空间投影理论的投影近似子空间追踪(PAST)、逼近幂迭代(API)和截断窗逼近幂迭代(TW-API)等三种递推子空间方法辨识航天器时变模态参数，并对这三种方法的适用条件和计算效率进行了总结和比较。然后提出了一种改进的TW-API方法以提高在轨辨识的效率，该方法简化了数据处理中的矩阵递推过程，在保证计算精度的同时，显著地减少了在轨辨识过程的计算量，尤其当系统模型的阶次较高时，计算效率的优势更加明显。在数值仿真中，对改进TW-API方法和基于SVD的周期子空间方法的计算效率进行了比较，证明了递推子空间方法能够有效辨识航天器的时变模态参数，而且具有更高的计算效率。最后，针对上述几种递推子空间方法在低信噪比时存在的辨识结果误差较大的问题，利用小波降噪技术对信号进行去噪处理，获得了良好的辨识结果。
　　(3)研究航天器时变状态空间模型参数的递推在轨辨识问题，提出了一种辨识状态空间模型参数中时变输入矩阵的新递推格式。不同于常用的重复实验辨识方法，新的递推格式基于信号子空间投影原理，通过重新建立输入-输出数据之间的关系，构建新的信号子空间矩阵以递推得到系统的时变输入矩阵，从而获得完整的系统时变状态空间模型参数。与现有的基于重复实验的辨识方法相比，新的递推格式不需要进行奇异值分解计算，有效减少了计算时间。
　　(4)研究航天器闭环系统的时变动力学参数在轨辨识问题，提出一种辨识与校验时变输出反馈增益矩阵参数的新递推格式。新的递推格式通过构建系统的增广矩阵，利用最小二乘方法计算得到系统的时变输出反馈增益矩阵。这种递推格式避免了在直接使用最小二乘方法求逆时可能导致的矩阵参数辨识结果不唯一的问题，可以对设计的反馈增益矩阵参数进行检验。仿真结果表明提出的递推格式能够有效辨识航天器的时变输出反馈增益矩阵参数。此外，还对上述的周期/递推子空间方法在航天器闭环系统中的应用进行了研究，为闭环系统的时变动力学参数辨识问题提供重要的参考。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 在轨辨识研究现状

1．2．1 航天器动力学参数辨识研究现状

1．2．2 航天器动力学参数在轨辨识方法

1．2．3 航天器动力学参数在轨辨识实验

1．2．4 时变动力学参数辨识方法研究现状

1．3 在轨辨识中的主要问题

1．4 本文研究目的和主要内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

2 大型柔性航天器的刚-柔耦合动力学模型

2．1 引言

2．2 问题描述

2．2．1 带有柔性附件的航天器结构

2．2．2 航天器模型的简化

2．3 航天器刚-柔耦合结构动力学建模

2．3．1 相关坐标系及定义

2．3．2 拉格朗日方法建立航天器刚-柔耦合动力学方程

2．3．3 航天器时变动力学方程

2．3．4 航天器时变状态空间方程

2．3．5 时变系统的伪模态方法

2．4 本章小结

3 航天器周期变化动力学参数在轨辨识

3．1 引言

3．2 基于矩阵分解技术的时变子空间辨识方法

3．2．1 基于重复实验的时变子空间辨识方法

3．2．2 周期子空间方法

3．2．3 时变模态参数和状态空间模型参数的辨识

3．3 航天器的输入和输出信号

3．3．1 输入信号的设计

3．3．2 输出信号的采集

3．4 仿真算例

3．4．1 ETS-Ⅷ卫星的构型描述

3．4．2 卫星的动力学模型

3．4．3 时变模态参数的辨识结果

3．4．4 状态空间模型参数的辨识结果

3．4．5 辨识结果的讨论

3．5 本章小结

4 航天器时变模态参数递推在轨辨识

4．1 引言

4．2 递推子空间方法的输入和输出信号预处理

4．3 基于信号子空间投影的递推子空间方法

4．3．1 PAST方法

4．3．2 API方法

4．3．3 TW-API方法

4．3．4 三种递推子空间方法计算效率的比较

4．4 提高计算效率的改进TW-API方法

4．5 仿真算例

4．5．1 算例1：二连杆空间机械臂模型

4．5．2 算例2：ETS-Ⅷ卫星模型

4．5．3 算倒3：SMAP卫星

4．6 本章小结

5 航天器时变状态空间模型参数递推在轨辨识

5．1 引言

5．2 时变系统矩阵和输出矩阵的递推辨识

5．3 一种辨识时变输入矩阵的递推格式

5．4 仿真算例

5．4．1 算例1：弹簧-质量验证模型

5．4．2 算例2：ETS-Ⅷ卫星模型

5．4．3 算例3：SMAP卫星模型

5．5 本章小结

6 航天器闭环系统时变动力学参数在轨辨识

6．1 引言

6．2 问题描述

6．3 基于输出反馈的周期子空间方法

6．3．1 系统矩阵和输出矩阵的辨识

6．3．2 输入矩阵和输出反馈增益矩阵的辨识

6．4 一种辨识时变输出反馈增益矩阵的递推格式

6．5 仿真算例

6．5．1 算例1：弹簧-质量验证模型

6．5．2 算例2：二连杆空间机械臂模型

6．5．3 算例3：ETS-Ⅷ卫星模型

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间的研究成果及参与的科研项目

致谢

作者简介