哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
自20世纪以来航天技术的爆发，航天任务有着高度集中化、复杂化的特点，
航天器的结构因此不断向着大型化发展。为保证航天器在空间的可拓展性和必
要的任务尺寸，空间桁架结构在航天器上的使用越来越常见。对于空间航天器
在轨的机动、稳定等过程中，由于桁架的低刚度等结构特性，其产生的非线性
振动会对控制造成严重影响。随着压电材料和集成电子技术的发展，以压电元
件为作动器/传感器的主动振动控制越来越引起人们的关注，主动振动控制有着
对结构设计影响小、控制系统设计灵活的特点。传统集中式振动控制方法依靠
中心控制计算机利用各传感器数据产生控制指令并作用给所有执行机构，对中
心计算机的实时计算能力要求高。在此背景下，为实现增强振动控制系统容错
性和降低控制器计算量的目的，本文开展了桁架结构卫星模型简化与动力学建
模研究，并考虑压电主动杆件对控制性能的影响进行了作动器优化配置，最后
对提出的分布式控制方法与集中式控制方法进行了仿真对比。
主要工作包含以下几个方面：
1、以桁架结构卫星为研究对象进行了合理的模型简化，建立了桁架结构的
动力学模型；再基于压电陶瓷材料正逆压电效应，利用有限元方法构建含压电
主动杆件的桁架结构动力学模型，并进行动力学分析；
2、基于挠性结构控制系统可控/可观性的概念，以系统的模态范数为依据，
配置作动器对于不同阶模态的权重系数，利用遗传算法进行有针对性的作动器
安装配置，获得了不同配置系数下压电主动杆件的最优配置位置；并分析了压
电主动杆件对于桁架结构的影响；
3、基于一致性理论和正向位置反馈控制方法，设计了分布式协同主动振动
控制器，基于得到的动力学模型和压电主动杆件最优配置位置，仿真对比集中
式和分布式控制器在几种外界激励（瞬态冲击、周期激励）作用下的控制效果，
并考虑系统中存在传感器情况下时的控制效果。仿真结果发现，两种控制方法
在系统完整情况下都能实现有效的振动抑制，且分布式控制器对比集中式控制
器有着更好的控制效果；当结构存在传感器失效时，集中式控制方法已经无法
实现有效的振动控制，但分布式控制器仍能实现较好的控制效果。
关键词：空间桁架结构；压电陶瓷材料；一致性理论；分布式控制
-I-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
Sincetheoutbreakofaerospacetechnologyinthe20thcentury,spacemissions
havebeencharacterizedbyhighconcentrationandcomplexity.Thestructureof
spacecraftisthereforeconstantlydevelopingtowardslargescale.Inordertoensure
thescalabilityofthespacecraftinspaceandthenecessarymissionsize,theuseof
spacetrussstructuresonspacecraftisbecomingmoreandmorecommon.Forthe
maneuveringandstabilizingprocessofthespacecraftinorbit,duetothestructural
characteristicssuchaslowstiffnessofthetruss,thenonlinearvibrationgenerated
byitwillhaveaseriousimpactonthecontrol.Withthedevelopmentof
piezoelectricmate