剪叉式空间伸展臂展开过程仿真与优化控制

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1、分类号：TP391密级：UDC：004学校代码：11065硕士学位论文剪叉式空间伸展臂展开过程仿真与优化控制刘建文指导教师丁洁玉副教授学科专业名称计算机科学与技术论文答辩日期2016年6月2日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

2、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

3、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。关键词：剪叉式空间伸展臂；仿真分析；优化控制；高阶变分数值积分方法；遗传算法AbstractAsakindofspacedeployablestructure,scissorspacedeployablemastiswidelyusedinvariouskindsofspacecraft.Todecreasetheresearchcostofspacedeployablemastandmakeitexpandsmoothly,simulationan

4、alysisandoptimalcontrolofthedeploymentprocessofscissorspacedeployablemastarestudiedinthispaper.Inthesimulationofthedeploymentprocess,scissorspacedeployablemastisconsideredascomposedofrigidrods,thenwegetthesimplifiedphysicalmodel.Byusingthemulti-rigid-bodydynamics,thedeployme

5、ntprocessmodelwhichiscalledtheEuler-Lagrangeequationisestablished.Theequationsolvingmethodstudiedinthispaperisthehigh-ordervariationalnumericalintegrationmethodandthetraditionalnumericalmethod.Throughthecomparativeanalysisofthetwomethod,weseethatthehigh-ordervariationalnumer

6、icalintegrationmethodismoreaccurateandcanbeusedinthefieldofaerospace.Itcanensurethatthesimulationofdeploymentprocesshashighaccuracy.Intheoptimalcontrolofthedeploymentprocess,theoptimalcontrolmodelforthedeploymentprocessofscissorspacedeployablemastisestablished.Firstlythegrad

7、ientbasedoptimizationmethodisstudiedinthispaper.Thecalculationprocessofthegradientisgivenandtheproblemsinthiskindofmethodareanalyzed.Thenthegeneticalgorithmwhichdoesn'tneedtocalculatethegradientisstudied.Theprematureproblemofgeneticalgorithmandthecausesoftheproblemareanalyze

8、d.Aschemewhichisbasedontheindividualsimilarityandusedtoselectcrossoverindiv