剪叉式空间伸展臂展开过程仿真与优化控制

摘要

剪叉式空间伸展臂作为一种空间可展结构，广泛应用于各种航天器。为降低空间伸展臂的研制成本并使其顺利展开，本文对剪叉式空间伸展臂展开过程进行了仿真分析和优化控制研究。
　　在展开过程仿真中，把剪叉式空间伸展臂看作由刚性杆件组成，得到简化的物理模型，使用多刚体动力学理论建立展开过程动力学模型，即Euler-Lagrange方程。对于该方程，采用高阶变分数值积分方法进行求解，并和传统数值求解方法进行比较分析，数值结果表明高阶变分数值积分方法求解精度高，适用于航空航天领域，可以保证展开过程的仿真具有较高的准确性。
　　在展开过程优化控制中，针对剪叉式空间伸展臂的展开过程建立优化控制模型，首先研究了基于梯度的优化方法，给出了梯度的计算过程，并分析了该类方法中存在的问题。然后研究了不含梯度的遗传算法，分析了该方法存在的早熟问题及产生的原因，提出一种根据个体相似度选取交叉个体的方案，并给出一种新的自适应改变交叉概率与变异概率的策略，通过性能分析实验来验证本文改进方案的有效性。最后，在数值算例中使用改进遗传算法求解最优驱动力，结果表明本文所提出的改进算法能有效求出最优驱动力，适用于航空航天领域中复杂的优化控制问题。