基于Lyapunov函数方法的海洋资源勘探拖缆水平振动的控制

为了提高海洋资源勘探拖缆系统的数据采集效率,提出了海洋资源勘探拖缆系统的水平主动振动控制的Lyapunov函数方法.利用线性变系数双曲方程描述拖缆系统,利用常微分方程描述深度控制器（水鸟）的动力学方程.选取海洋资源勘探拖缆和水鸟的总能量为Lyapunov函数,基于Lyapunov方法设计了控制规律,包括水鸟处拖缆的速度、斜率.该控制规律具有指数稳定性,有效解决了海洋资源勘探拖缆水平位移难以测量的问题.运用数值仿真,验证了所提出的控制策略的有效性.     

低速低应力时拖揽运动仿真

建立了拖缆在低速低(负)应力时的运动数学模型,用以分析弯矩对拖缆运动的影响.基于集中质量法给出了三维拖缆的运动控制方程,在此基础上根据弯矩和分布荷载的对应关系,提出了一种计算弯矩诱导分布荷载的方法,并将该荷载融入到运动控制方程中,采用四阶龙格库塔方法进行积分求解.通过数值仿真计算,分析了低速时计入弯矩影响前、后拖缆的运动响应,并给出了合理准确的结果.结果表明,所提方法是切实可行的.     

水下多缆多体拖曳系统运动建模与模拟计算

针对水下多缆(阵列)多体拖曳系统,给出了其动力学数学模型及其对应的数值求解方案,用以预报分析其在各种情况下的运动响应特性.模型由3部分组成:基于集中质量法给出了拖缆的运动控制方程;水下工作拖体因其为系统的关键部件而采用潜艇6自由度运动控制方程进行精确描述;而系统中另一个小型拖曳体因其尺度相对很小则简化为质量点融入拖缆的控制方程中.通过建立拖缆和拖体耦合边界条件将其耦合成一个整体,并采用4阶龙格库塔方法进行积分求解.最后针对4缆2拖曳体系统展开数值计算,研究了系统在不同情况下的运动响应特性,给出了一些规律性结论.     

波流作用下导管架码头结构浮运模拟数学模型及验证

提出了一种导管架浮运稳定性数学模型．模型中,将导管架看作刚体,主要考虑波流荷载及拖缆对导管架的作用;依据刚体运动学相关理论,建立了导管架运动方程;波浪水流荷载用莫里森公式计算,控制方程采用4阶龙格一库塔方法进行求解．模拟了导管架浮运过程中波浪作用下6个自由度的位移响应和拖缆力,与水槽试验得到的拖缆力实测结果进行了对比,二者符合较好．对不同波浪入射角度和水流流向条件下导管架拖航情况进行了数值模拟,发现逆向入射30。浪的拖缆力最大,大于正逆向浪的情况．分析了缆绳与拖航方向的平衡角随横纵向流速比的变化趋势,得出比值越大,拖缆与航向的平衡角越大的结论．     

水流作用下锚泊浮体平衡位置及姿态的求解方法

为了求解锚泊浮体在波浪中的运动响应或是受失控船舶碰撞时的运动响应,首先得求解锚泊浮体系统在不同外部环境下的平衡位置,以获得较为精确的锚链和浮体的初始状态.将锚链考虑为可拉伸的悬链线,建立锚链力的求解方程.以浮体在各个方向的所受力(矩)的平衡为收敛条件,通过迭代求解锚泊浮体系统在海流作用下的平衡位置.结果表明,系统除了在不同流向和流速作用下具有不同的平衡姿态外,还会由于投锚误差导致平衡姿态的不同.     

变姿态柔性机械臂横向振动主动控制理论与实验

综合模态控制和极点配置方法来抑制变姿态柔性机械臂的横向振动.建立了工程适用的柔性机械臂回转系统简化动力学模型,通过模态滤波器和状态观测器实现机械臂末端横向加速度到模态速度和模态位移的转换,结合极点配置法获得当前姿态下系统的模态增益系数,可计算得到模态控制力和实际控制力.实现了基于NI控制器和回转液压作动器的主动控制实验系统,开展了变姿态条件下柔性机械臂横向振动主动控制实验,结果验证了上述方法对变姿态条件下柔性机械臂横向振动抑制的有效性.     

飞机圆周盘旋时拖缆的动力学建模与分析

构建了飞机圆周盘旋时拖缆的多体动力学模型.基于对拖缆运动状态的研究及其受力情况的分析,运用多刚体法建立了拖缆离散模型,对系统进行动力学仿真分析,得到了拖缆旋转平衡的稳态构型.计算结果与在相同条件下对拖缆连续模型应用微元法的数值计算构型相似,表明所建的多刚体动力学模型是正确可信的,且仿真求解是快速准确的.最后,详细地分析了不同参数对拖缆垂直长度的影响.研究结果表明,在实际应用中飞机速度是影响系统正常工作的关键因素;为确保垂直度在要求范围内,在一定条件下,应合理减小飞机速度,来增加拖缆的垂直度;应用二分法得出了系统有效工作的速度范围.     

双臂空间机器人系统动力学与关节运动的非线性反馈控制

利用拉格朗日方程建立了漂浮基双臂空间机器人系统的动力学方程,给出了载体位置、姿态均不受控制情况下,双臂空间机器人关节运动的非线性反馈控制规律.结果表明,在系统动力学模型及参数较精确确定情况下,本文提出的控制方案能够有效地控制双臂空间机器人系统完成关节空间的指定运动,而不需对其载体的位置、姿态进行主动控制.仿真计算结果证实了方法的有效性.     

水下拖曳系统的稳态运动分析与设计

为分析水下拖曳系统的稳态运动性能,给出了稳态运动求解方法,并将其应用到拖曳系统 的设计中.对于不同的拖曳形式和条件,拖缆的边界条件被转换为一组关于初始值的显、隐式方程,分别作为初始值和两点边值问题进行求解.通过数值仿真计算,分析了拖缆物理参数变化对系统稳 态运动的影响.结果表明:拖缆的弹性、泊松比的影响在其变化范围内微乎其微,可忽略不计;而阻力系数、拖缆密度及拖曳速度变化对系统稳态运动的影响很大.最后,以具体的拖曳系统定深器设 计和海洋勘探拖曳系统设计为例说明拖曳系统的设计方法,并根据其稳态运行要求,确定了拖曳系 统的参数.     

基于广义代数特征空间的控制律设计

近年来,结构振动主动控制研究得到了快速发展,并在实际工程中有了许多成功的应用.目前,控制律设计的基本方法是最优控制法,但其需要求解的Riccati方程阶数通常是较高的,而高阶Riccati方程是难于求解的.提出了分块最优控制法,它能有效降低相应的Riccati方程阶数,为能对各子块独立地进行控制设计,采用了在模态空间分块的办法.     

正脉冲电晕放电的数值研究

根据等离子体的流体方程提出了脉冲电晕放电中流注形成和传播的数学模型，导出了流注空间电荷电场的普遍积分表达式．用Ｆｌｕｘ－ＣｏｒｒｅｃｔｅｄＴｒａｎｓｐｏｒｔ（ＦＣＴ）算法，就实验中所用的超窄脉冲电压波形对该模型进行了数值求解，得到了带电粒子密度、电场和电子温度等参量沿流注发展轴线上的时空分布     

带挠性伸展附件的航天器姿态动力学研究

利用动量矩定理推导出带挠性伸展附件航天器的动力学方程。在挠性附件按指数规律和幂次规律伸展情况下，研究了附件伸展运动对弹性振动和航天器姿态的影响，得到了附件振动的振幅和姿态角速率随附件长度变化的渐近公式，得到航天器最大姿态偏差的估计式。结果表明：随着附件长度的增加，附件振动的振幅增大，而姿态角速率减小。最大姿态偏差值随着伸展速率的增加而减小。     

2DOF空间3-RPS并联机器人位置运动学混合算法

空间2自由度并联机构可用于高作用力下精确控制姿态的两个分量的工作场合.建立了2自由度3-RPS并联机器人的位置运动学约束方程;对其正逆运动学算法进行了讨论.对求解并联机器人位置正解的杆长搜索法进行了改进,并结合解非线性方程组的拟牛顿法,提出了一种能解决方程组多解并且计算精度较高的混合算法,推导了2自由度3-RPS并联机器人位置反解的求解过程.通过实例验证了算法的正确性和所能达到的精度.     

Direct Lyapunov-based control law design for spacecraft attitude maneuvers

A direct Lyapunov-based control law is presented to perform on-orbit stability for spacecraft attitude maneuvers. Spacecraft attitude kinematic equations and dynamic equations are coupled, nonlinear, multi-input multi-output(MIMO), which baffles controller design. Orbit angular rates are taken into account in kinematic equations and influence of gravity gradient moments and disturbance moments on the spacecraft attitude in dynamic equations is considered to approach the practical environment, which enhance the problem complexity to some extent. Based on attitude tracking errors and angular rates, a Lyapunov function is constructed, through which the stabilizing feedback control law is deduced via Lie derivation of the Lyapunov function. The proposed method can deal with the case that the spacecraft is subjected to mass property variations or centroidal inertia matrix variations due to fuel assumption or flexibility, and disturbance moments, which shows the proposed controller is robust for spacecraft attitude maneuvers. The unlimited controller and the limited controller are taken into account respectively in simulations. Simulation results are demonstrated to validate effectiveness and feasibility of the proposed method.     

带挠性轴太阳帆板航天器姿态动力学研究

建立了带挠性轴太阳帆板航天器的物理模型 ,利用保守系统的 Lagrange方程 ,导出了带挠性轴太阳帆板航天器动力学方程 ,在小姿态角速率情况下 ,推出了航天器挠性轴扭转运动、航天器姿态运动的运动学方程 ,给出了数值结果 ,分析了太阳帆板转动惯量、挠性轴的扭转刚度对航天器姿态运动的影响。     

相对姿态运动学和动力学方程及其在航天器姿态状态跟踪控制问题中的应用

论文第一次系统地研究并给出了适用于多种姿态参数的相对姿态运动学方程和相对动力学方程,所得结果为发展虚拟平台、相对导航和编队飞行提供了理论基础.论文中还给出了相对姿态运动学方程和相对动力学方程在航天器大角度机动控制问题中的应用,及相应的渐进稳定非线性姿态控制器设计.与其他文献仅用位置反馈来实现姿态机动的跟踪问题相比,本文用状态反馈,不仅实现了姿态机动跟踪控制,还得到了满意的跟踪过程动态品质.这对实现分布卫星具有平稳跟踪品质的相对指向控制,具有重要意义.     

静电放电电磁脉冲场对针板间隙流注放电的影响分析

为了分析自然环境下静电放电电磁脉冲场对针板间隙流注放电的影响,基于流体动力学理论,建立静电放电电磁脉冲场下流注放电模型,对大气压下10mm针板间隙流注放电过程进行了仿真,研究了静电电磁脉冲场对流注运动发展过程中电场与光子通量的影响,以及得到不同静电电磁脉冲场下流注放电间隙贯穿时间的变化规律。结果表明:无静电电磁脉冲场时,随着时间的推移流注不断向阴极发展,当流注头部靠近阴极时,流注头部电场强度逐渐增大,光子通量幅值亦迅速增长;通入静电电磁脉冲场后,相同时间内,电场向板极推进的速度明显加快,击穿电压阈值显著降低,随着静电放电输出电压的增加,流注贯穿间隙的时间逐渐减小。对于强电磁场环境下电子设备安全防护的研究具有参考意义。     

用GPS输出反馈实现大角度姿态状态跟踪控制

本文首次讨论并给出了利用星上GPS输出反馈,来实现卫星大角度姿态机动的自主非线性状态跟踪控制系统的设计.其中包括非线性状态反馈控制器的设计以及利用星上GPS伪距测量输出信息,采用修改的罗格里德参数描述姿态状态方程,实现星上实时状态跟踪控制的非线性估计器的设计.文中以EO-1/LandSat7卫星编队飞行为背景,给出了姿态测量信息的获取、姿态状态估计和实时跟踪控制的数学仿真结果,验证了控制系统设计的可行性和正确性,精度指标满足要求.     

基于超短基线的GPS测姿算法研究

针对超短基线下姿态测量结果稳定性差及可靠性低的问题,提出一种更加可靠稳定的基于超短基线的全球定位系统（global positioning system,GPS）姿态测量算法。构建了扩展卡尔曼滤波（extended Kalman filtering,EKF）模型,并对扩展卡尔曼滤波模型中测量噪声矩阵采用基于卫星高度角模型,得出比较准确的浮点模糊度;联立了载波双差观测方程和伪距双差观测方程,并采用改进模糊度最小二乘去相关平差法（modified least-squares ambiguity decorrelation adjustment algorithm,M-LAMBDA）进行快速模糊度固定解算;利用了滤波法进行姿态解算。实验结果表明,与其他测姿算法相比,该算法可适用于超短基线,能够提高姿态结果的稳定性与可靠性,在基线为20 cm静态环境中,该算法模型航向角的误差方差为0.1左右,航向角的绝对误差为2°左右。在基线为20 cm动态环境中,该算法模型航向角的误差方差为2左右,姿态角的绝对误差为3°左右。     

脉冲流光电晕脱硫反应器电极配置数值模拟

线-板式非热等离子体烟气脱硫反应器的电极配置形式是影响反应器脉冲流光电晕放电特性及脱硫效率的主要因素之一,线-板电极的配置在一定范围内存在最优方案.从工程应用角度出发,在分析脉冲流光电晕放电机理的基础上,进行了反应器静电场数值模拟,得出了不同电极配置的静电场分布,结合流光形成、发展和传播所必备的静电场条件,优化电极配置.数值模拟结果表明:在施加峰值电压为80kV,放电极半径为0.2cm,线-板间距为10cm时,线线最佳间距为6～8cm.