引言
空间站作为人类史上最大规模、结构最复杂且科学技术水平最高的航天器，不仅承载着人类迈向太空的希望，更代表着人类高科技高智慧的结晶，在空间生命科学及新材料加工等诸多科技前沿领域中发挥着重要作用。
在轨组建过程中，多模块的空间站需要利用空间机械臂完成舱体转位的过程，然而空间机械臂在完成这项任务中，由于是柔性机械因而容易引发结构震动，在转位对接时会影响其定位的精准度，严重时极有可能会威胁空间站的安全运行。因而本文将针对空间站机械臂转位控制及振动抑制进行相关描述与分析，提出改进型负输入成形和最佳控制相结合的振动抑制方法，旨在进一步提高控制系统的性能，验证其方法的有效法。
空间站与空间机械臂应用发展现状
《载人航天器技术》中提出，空间站作为一座大型“太空母港”，其整个系统的尺寸和质量远大于运载火箭发射能力，其脱离大气层之外，在靠近地球轨道上长时间运行、能够为宇航员提供生活、工作的载人航天器，同时也有太空站、航天站等的别名，集结了当今各类顶尖行业的先进技术，渐进成为国家经济、科技及综合国力的衡量标准，因而也得到国际间的重视。
空间站的优越性是其它航天器无法比拟的，首先与其它卫星相比，它能够承载多名宇航员执行长时间在轨运行以及实验、生活的特点，随着深空探测等空间技术领域的发展，空间机械臂技术的发展也日趋关键，它能够在太空中完成空间站的各种作业任务，比如科学实验载荷的照料、卫星捕获回收等。
大型的空间机械臂甚至能够帮助宇航员完成大型的组装及搬运，快速完成空间结构的搭建，以及其它一些涉及日常维护修理和检查的任务。
在《中国幸福指数报告》一书中指出，年是国内实行“三步走”发展战略的起始年，首先通过神舟五号、神舟六号完成任务；神舟七号完成突破空间出舱任务；神舟八号和天宫一号完成无人自控交会对接技术。并计划在未来十年内建立本国的空间站，组建对接不同用途和功能设备的舱体，但仍旧需要借助空间机械臂的帮助来实现转位对接。国外技术相较国内相对成熟，上世纪七十年代，苏联成功发射“礼炮号”空间站，其在进行空间技术实验等任务时为推动人类科技及文明进步作出了诸多贡献。
空间站转位系统动力学
利用空间机械臂实现舱体的转位对接任务是极为困难艰巨的工作。国外以美国与俄罗斯为首的国家在空间站的建造技术及应用中较为领先，且对于空间站的控制与系统动力学建模上已有大量经验，而我国现处于初步建造阶段，许多技术性问题和研究需要逐步完善。
首先空间柔性机械臂的控制非常复杂，与普通的刚性机械臂不同，在动力学方程中的参数会随着机械臂在运动时出现的位形变化而产生变化；其次，由于柔性机械臂额质量较轻且频率低，因此在执行空间在轨操作时会引起大幅度振动，因而会影响定位精准，可能与目标碰撞，影响控制系统的稳定，因此需要对振动进行抑制，从而提高系统性能，增强安全性，减少操作费用。
空间站是极为复杂的舱段系统，为准备分析其动力学的特性，需要建立精准的动力学模型，以此作为机械臂舱体转位系统姿态的控制及控制系统的设计依据。
柔性多体系统动力学建模的分析要考虑以下几点，即柔性变形描述、选取参考坐标系、动力学的建模方法。
此外，在动力学建模过程中，参考坐标系有：惯性坐标系方法、浮动坐标法等。
目前对柔性变形描述的方法，应用较多的有假设模态法及有限元法等。其中假设模态法是对动力学建模中较为常用的方法；有限元法常用于工程上进行复杂的航天器分析。
此外，建立动力学方程的方法还分两大类，即分析力学与矢量力学，从动力学原理上出发，可归纳为总结为三类：Newton-Euler方法（即质心运动定理与动量矩定理）；Hamilton极小值原理方法；从广义DAlembert原理中导出的分析力学方法。
我国应用Newton-Euler方法建立了单杆机械臂以及机械臂转位的多体动力学模型，在建模过程中隔离分析每个物体，消除理想约束力从而获得系统的方程组，Newton-Euler方法是概念最简单清晰且容易理解的方法。
理论出发，采用分布参数法来描述柔性体变形后所得到的动力学模型具有无穷维的自由度，另外使用有限元法来描述其振动运动的维数也普遍比较高，使用这种系统控制需要用多个敏感器，而采用高维模型控制的系统计算量巨大，因此在实际操作中要想实现控制的难度也非常大，如能将高阶动力学模型降价为低阶模型就可以。
空间站姿态控制方法研究
针对空间站的姿态控制系统是空间站转位系统中的重要组成部分，其控制策略包括：喷漆卸载策略、自由漂浮加喷气控制策略以及无喷气控制策略。其中以自由漂浮加喷气控制策略为例，该策略方法也被称为分时操作模式，对空间站内处于自由漂浮的状态，而不控制其内部各个部分的姿态和动量，当姿态角达到一定限制条件时，就会锁定机械臂，并通过喷气的推力控制姿态，当空间站的姿态恢复至初始位置，接着再用机械臂进行转位。
国际间对柔性航天器姿态控制的控制理论的方法研究历经几十年的发展，目前已有许多相关方法，包括鲁棒控制、变结构控制、智能控制等，研究者研究了最优的控制来结合扰动抑制滤波器的方法对姿态进行控制。
国内的研究学者也基于系统温度定的概念设计了最优二次型指标的鲁棒控制器；也有将智能控制系统应用到空间站的自主控制当中。目前科学家通过仿真，认为分散变结构控制用于一体化控制方案是极为有效的方式。
机械臂的柔性主要在于关节的位置以及臂杆，空间站机械关节有比较大的间接驱动能力，而且这类关节具有明显优势，包括体积小、结构紧凑和重量轻。然而在机械臂的核心部分常用的谐波齿轮减速器却是能造成系统谐振的主要因素，从而影响机械臂的执行任务中的稳定性及精度。
不少科学家目前正在运用组合性的复合控制方法进行研究，譬如用小波神经-鲁棒复合控制实现柔性关节机器人的高精度位置跟踪。
近年来，振动控制技术也已成为科学家们的研究热点之一，其控制方法中分为许多分支，比如被动控制和主动控制，其中被动控制主要是通过隔振、能耗等手段消耗吸收柔性结构振动的能量，从而达到抑制振动的目的，优点在于无需通过外界的能量输入，且成本低较容易实现，抑制高频振动的效果非常好，但缺点较为明显，既缺乏灵活性的控制，也不易适应环境变化。
在组建空间站中，空间站舱体转位是其中的重要环节，因而在航天领域中，针对转位过程中的动力学与控制问题是研究者们的热门研究课题之一，且属于极具科学研究价值的领域。上文中提出的几点有关空间站机械转位控制等问题展开描述，另外还有具体的研究成果，如针对空间站机械臂的转位系统中的动力学模型问题，研究者们建立了考虑偏心量的水空间站的转位系统动力学模型，可通过偏心量来间接的反应空间站转位过程中发生姿态的一些变化，根据仿真的算例结果表明：系统的总体相对于系统质心的转动惯量的变化是巨大的，其变化范围甚至超出空间站核心舱的几何范围。
此外还提出了改进型负输入成型振动抑制方法，分别针对无阻尼系统与有阻尼系统提出的改进型负输入成形器，解决了传统的负输入成形方法设计，特别是有阻尼系统无法得到解析的问题，在该方法的基础上提高控制系统的性能并提出改进型负输入成形以及最优控制相结合的振动抑制方法。
总结
本文描述了空间机械臂的柔性关节的控制问题，考虑到不确定性的扰动影响与摩擦同时存在时的轨迹控制问题，通过设计虚拟的控制量把柔性关节级联系系统去引入到两个自抗扰控制器形成的双闭环控制系统来补偿因为摩擦和不确定扰动因素产生的影响。
空间站的舱体转位系统动力学的研究涉及多学科，包括非线性动力学和航天器的姿态控制等，在有相关资料和经验的基础上，许多课题还需要进一步的深入研究。
参考资料：
《载人航天器技术》《中国幸福指数报告》