● 摘要
智能结构是解决空间结构柔性与精密性矛盾的有效途径，其应用包括在航天器主体结构中嵌入智能材料以有效抑制结构振动并进行形状控制，以及研制特定的智能结构/机构为有效载荷提供局部高稳定工作环境等。本文以自适应桁架和精密跟瞄Hexapod平台为研究对象，对智能结构/机构进行了系统的控制与优化研究。 论文首先阐述了研究的背景和意义，总结了空间智能结构/机构的发展概况及常用的控制与优化方法，指出了目前研究存在的问题，由此提出了本文的主要内容。 本文对基于自适应桁架技术的抛物面天线形状最优控制进行了研究，建立了天线光程差、背架（为自适应桁架）力学响应与作动电压的显式关系，提出了天线抛物面基于原形恢复和最佳吻合抛物面的最优控制模型。利用所建立模型的显函数特点，各最优控制电压只需一次结构分析即可得到。仿真算例不仅说明了控制方法的有效性，而且表明基于最佳吻合抛物面的控制方法在控制精度和能量消耗上的优越性。 基于自适应桁架形状与振动最优控制方法，提出了外层利用遗传算法进行作动器配置寻优、内层对控制参数优化的自适应桁架作动器最优配置策略，给出了优化模型和求解流程，并对作动器数量约束的罚函数进行了改进。在作动器配置优化算例的基础上，特别针对三棱柱自适应桁架，进行了振动控制作动器最优配置实验验证，实验效果与算例结果的吻合说明了方法的有效性。 在高稳定精密跟瞄Hexapod平台的振动与指向控制研究中，建立了平台的线性动力学以及多刚体动力学模型，分析推导了ADC（Adaptive disturbance canceller）方法直接应用于结构振动控制存在的问题并提出了有前馈的改进ADC方法，结合复合作动器性能提出了基于PID方法的平台静态定位和动态跟瞄控制策略。平台仿真算例及样机实验均说明了本文方法的有效性，控后指向精度可达到微弧度量级。 在此基础上，进行了Hexapod平台构型与控制一体化优化设计研究。优化模型基于平台雅可比矩阵条件数最优条件，将构型与控制一体化设计问题转化为从满足条件数最优条件的构型中选择振动控制能耗指标最小的优化问题。由于优化模型为设计变量的隐函数，故采用响应面方法对其进行近似，通过不断求解近似问题得到原问题的最优解。算例结果说明经过一体化设计的Hexapod平台在振动控制能耗和构型指标上均优于平台的原始设计。最后，对全文的创新性研究工作进行了总结，并提出进一步研究的开展方向。