下：
[0031] (1)任務(wù)平臺(tái)的推進(jìn)力F方向通過目標(biāo)物4和任務(wù)平臺(tái)1質(zhì)心連線，目標(biāo)物4和任務(wù) 平臺(tái)1質(zhì)心與空間系繩3在一條直線上，空間系繩3保持張緊狀態(tài)；
[0032] (2)忽略系繩收放裝置卷筒上卷繞空間系繩的變形量；
[0033] (3)不考慮任務(wù)平臺(tái)1和目標(biāo)物4姿態(tài)以及空間繩系3組合體的擺動(dòng)；
[0034] (4)空間系繩3為輕質(zhì)材料，且長度較短，在百米范圍內(nèi)，質(zhì)量可忽略不計(jì)。
[0035] 空間繩系3組合體系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)求解：
[0036] 以目標(biāo)物4質(zhì)心初始位置為原點(diǎn)，指向任務(wù)平臺(tái)1質(zhì)心方向?yàn)閄軸正方向建立慣性 坐標(biāo)系。設(shè)任務(wù)平臺(tái)1的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)位置分別是mi和XI，目標(biāo)物4的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)位置分別為m2 和 X2,系繩收放裝置卷筒卷繞半徑為R，卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，空間系繩總長度為Lo,卷筒上卷繞系 繩長度為ξ，系繩在卷筒上的卷繞角度為識(shí)，卷筒角速度為ω:，任務(wù)平臺(tái)與目標(biāo)物之間空間 系繩長度應(yīng)為Lo-ξ，空間系繩張力為Ft，空間系繩變形量為δ。
[0037]任務(wù)平臺(tái)1和目標(biāo)物4質(zhì)心運(yùn)動(dòng)滿足：
[0039]這時(shí)，考慮空間系繩模型較為復(fù)雜，具有時(shí)變的遲滯非線性特性，可設(shè)空間系繩張 力為空間系繩變形量及空間系繩變形量對時(shí)間導(dǎo)數(shù)的時(shí)變函數(shù)，且考慮到空間系繩軸向只 能拉伸無法壓縮：
[0041]系繩收放裝置驅(qū)動(dòng)單元采用的是伺服電機(jī)和減速器組合，設(shè)U、r4PLa分別為伺服 電機(jī)兩相電樞繞組兩端電壓、相間電阻和相間電感，《Jrad/s)為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子相對定子 轉(zhuǎn)速，Ke為伺服電機(jī)常數(shù)，i為減速器的減速比，τι為減速器傳動(dòng)效率，F(xiàn)n為空間系繩離開卷 筒處張力，τ。為卷筒受到了庫侖摩擦力矩，b為黏性摩擦系數(shù)，對伺服電機(jī)及卷筒有：
[0043] 事實(shí)上空間系繩在系繩收放裝置內(nèi)部各處的張力是不同的，由于空間系繩在系繩 收放裝置內(nèi)部要經(jīng)過若干導(dǎo)線輪導(dǎo)向，將受到其摩擦力影響，系繩最終離開張力控制機(jī)構(gòu) 處的張力與卷筒處張力有區(qū)別。設(shè)空間系繩在系繩收放裝置內(nèi)部受到的摩擦力為f。，摩擦 力方向與空間系繩的相對運(yùn)動(dòng)或是相對運(yùn)動(dòng)趨勢方向相反，滿足：
[0044] pT1 = pT+fc (4)
[0045] 任務(wù)平臺(tái)1與目標(biāo)物4質(zhì)心有相互的位置關(guān)系：
[0046] χι-χ2 = ?〇-ξ+δ (5)
[0047] 其中，。因?yàn)長o-ξ等于任務(wù)平臺(tái)1與目標(biāo)物4之間系繩長度，故任務(wù)平臺(tái)1與目 標(biāo)物4之間的距離減去它們之間的空間系繩長度得到的就是空間系繩的伸長量，當(dāng)伸長量 為負(fù)數(shù)時(shí)表示空間系繩長度大于任務(wù)平臺(tái)與目標(biāo)物之間的距離，空間系繩處于松弛狀態(tài)，S 為空間系繩松弛部分的繩長。
[0048]對(5)式兩邊取時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)有：
[0049] δ ^x,-x2 +Rip (B)
[0050] 由式（1)、（3)、（6)可得空間繩系組合體系統(tǒng)關(guān)于XlJ、f、Ia的狀態(tài)方程：
[0052]其中，空間系繩張力Ft由式（2)給出，系統(tǒng)以任務(wù)平臺(tái)的推進(jìn)力F以及伺服電機(jī)的 電壓U作為輸入。
[0053]為分析空間繩系組合體系統(tǒng)的碰撞沖擊問題，作為簡化可采用不可壓縮彈性桿線 性模型來描述空間系繩的彈性和振動(dòng)特性，并考慮空間系繩自身的結(jié)構(gòu)阻尼。粘彈性材料 本構(gòu)關(guān)系常采用開爾文模型來表示，同時(shí)考慮到空間繩系組合體空間系繩長度是由系繩收 放裝置收放而變化的，空間系繩剛度和阻尼系數(shù)和系繩原長成反比，式(2)可寫為：
[0054] FT=kS + cS (8)
[0055] 其中
[0057] E為系繩彈性模量，A為系繩橫截面積，ε〇為繩長Lo-ξο時(shí)阻尼系數(shù)。在空間繩系組合 體沖擊碰撞時(shí)系繩長度變化不大，可認(rèn)為繩長為定值，其剛度系數(shù)k和阻尼系數(shù)c為常數(shù)。從 式(7)的第3個(gè)方程可以發(fā)現(xiàn)，摩擦力項(xiàng)τ。和Rf。與狀態(tài)變量以及輸入無關(guān)，可作如下變量替 換將其消去：
[0059]事實(shí)上，上式的物理意義是部分輸入電壓和電樞電流補(bǔ)償了摩擦力的作用，經(jīng)過 補(bǔ)償后的系統(tǒng)不再含有常數(shù)項(xiàng)。質(zhì)心位置xdPx2的運(yùn)動(dòng)由推進(jìn)力和空間系繩張力可完全確 定，引入空間系繩變形量k由式(8)式計(jì)算出空間系繩張力后積分運(yùn)算可得到 X1。因此，將 式(8)代入式(7)可得到以X =[忒夂^為狀態(tài)矢量的狀態(tài)空間表達(dá)式：
[0064]以任務(wù)平臺(tái)推進(jìn)力F和系繩收放裝置伺服電機(jī)等效輸入電壓Us組成輸入矢量u，任 務(wù)平臺(tái)與目標(biāo)物質(zhì)心速度差和空間系繩張力為系統(tǒng)輸出，任務(wù)平臺(tái)與目標(biāo)物質(zhì)心速度差是 由式(5)對時(shí)間求一次導(dǎo)得到，反映了任務(wù)平臺(tái)與目標(biāo)物之間的相對運(yùn)動(dòng)，速度差為0時(shí)任 務(wù)平臺(tái)與目標(biāo)物以相同的速度形成穩(wěn)定組合體。
[0065]系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
[0066] ff(s)=C(sI-A)_1B (11)
[0067] 至此，已求出空間繩系組合體的開環(huán)傳遞函數(shù)。
[0068]系統(tǒng)控制方法：
[0069] 如圖2所示，空間繩系組合體防沖擊緩沖釋放控制方法，采用以下步驟：
[0070] 步驟1)設(shè)定任務(wù)平臺(tái)與目標(biāo)物的指令速度差△ Vre3f = 0，與測量的實(shí)際速度差Δ v 進(jìn)行比較，并假設(shè)二者的差值ev;
[0071] 步驟2)指令速度差Δ Vref與實(shí)際速度差Δ v的差值ev作為比例控制器P的輸入，并 假設(shè)比例控制系數(shù)為kpl;
[0072] 步驟3)假設(shè)任務(wù)平臺(tái)上施加的沿組合體運(yùn)動(dòng)正方向的機(jī)動(dòng)推力為F，為使實(shí)際速 度差A(yù) v平衡點(diǎn)在零點(diǎn)，需要對系統(tǒng)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，且補(bǔ)償系數(shù)SK^msAnn+ms)，其中血為 任務(wù)平臺(tái)的質(zhì)量，m2為目標(biāo)物質(zhì)量；
[0073] 步驟4)速度環(huán)的輸出kplev與任務(wù)平臺(tái)的前饋補(bǔ)償之和(kple v+KmF)作為指令張力 FTref，指令張力FTref與實(shí)際張力Ft進(jìn)行比較，并假設(shè)張力差值為e T;
[0074] 步驟5)張力差值eT作為PID控制器的輸入，經(jīng)PID控制器后的輸出量作為系繩收放 裝置伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓U;
[0075] 步驟6)假設(shè)空間繩系組合體的開環(huán)傳遞函數(shù)為W(s)，則系繩收放裝置伺服電機(jī)的 驅(qū)動(dòng)電壓U與機(jī)動(dòng)推力F作為系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)W(s)的輸入，共同作用于空間繩系組合體， 實(shí)現(xiàn)空間繩系組合體的防沖擊緩沖控制。
[0076] 所述PID控制器為抗積分飽和PID控制器，防止因執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出有限，造成PID控制 器輸出飽和現(xiàn)象。
[0077] 空間繩系組合體防沖擊緩沖釋放控制實(shí)驗(yàn)裝置：
[0078] 如圖3所示，本發(fā)明包括主控計(jì)算機(jī)5、視覺檢測設(shè)備6、光學(xué)標(biāo)識(shí)7、目標(biāo)物仿真器 8、彈性系繩9、系繩收放裝置2、任務(wù)平臺(tái)仿真器10和基礎(chǔ)平臺(tái)13;任務(wù)平臺(tái)仿真器10與目標(biāo) 物仿真器8均通過各自底部的氣浮軸承19使兩者在基礎(chǔ)平臺(tái)13上處于"懸浮"狀態(tài)，任務(wù)平 臺(tái)仿真器10內(nèi)安裝有系繩收放裝置2,系繩收放裝置2內(nèi)的彈性系繩9與目標(biāo)物仿真器8中的 繩栓22相連接，通過系繩收放裝置2控制系繩的收放和張力控制;視覺檢測設(shè)備6安裝在基 礎(chǔ)平臺(tái)13的正上方，視覺檢測設(shè)備6與主控計(jì)算機(jī)5相連接，視覺檢測設(shè)備(6)與任務(wù)平臺(tái)仿 真器10和目標(biāo)物仿真器8上表面的光學(xué)標(biāo)識(shí)7共同完成系統(tǒng)的位置和姿態(tài)檢測;數(shù)據(jù)處理后 形成系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
[0079]所述基礎(chǔ)平臺(tái)13下面四角上分別設(shè)有可調(diào)支架12,每個(gè)可調(diào)支架12上均裝有能調(diào) 芐基礎(chǔ)平臺(tái)的調(diào)節(jié)螺母11。
[0080] 防沖擊緩沖釋放控制實(shí)驗(yàn)的初始階段，任務(wù)平臺(tái)仿真器10的質(zhì)心與系繩收放裝置 2的出繩口連線、目標(biāo)物仿真器8的質(zhì)心與繩柱22的連線、彈性系繩9軸線方向三者處于同一 直線上，彈性系繩9處于松弛狀態(tài)，通過目標(biāo)物仿真器8的推力噴氣口 17使得目標(biāo)物仿真器8 具有一定初始速度，隨著任務(wù)仿真器8的遠(yuǎn)離，彈性系繩9會(huì)逐漸張緊，此后利用系繩收放裝 置2通過如圖2所示的防沖擊緩沖控制對彈性系繩9逐漸釋放使任務(wù)平臺(tái)10與目標(biāo)物仿真器 8最終達(dá)到同向同速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)而避免系統(tǒng)沖擊。
[0081] 如圖4所示，所述任務(wù)平臺(tái)仿真器10,包括系繩收放裝置2、第一蓄電池14,第一、第 二高壓氣瓶15,第一、第二可控氣閥16,第一、第二推力噴