空间探索的深入推动了航天技术的发展,大型化、复杂化、长寿命是未来部分航天器的发展方向,空间机械臂系统在大型卫星的搭建与维护中承担越来越重要的任务。我国载人空间站建设步伐的推进,也促进了国内航天领域对空间机械臂系统的广泛深入研究。而航天器上普遍安装有大型挠性附件,如卫星天线、太阳帆板等,挠性附件的振动加剧了卫星基座与机械臂之间的动态耦合,给机械臂的跟踪控制和保证整星系统的稳定性带来了诸多挑战。此外,越来越多复杂的空间任务对机械臂的控制精度和控制性能提出了要求。本文针对带挠性附件的浮动基座空间机械臂这一复杂刚柔耦合多体系统,深入研究了其动力学建模、预设性能控制、系统协调控制以及自适应跟踪与振动混合控制问题。主要包括以下几部分内容:首先,研究了带挠性附件的浮动基座空间机械臂系统的数学模型及特性。描述了带挠性附件的空间机械臂系统的结构组成,并明确了本文涉及的相关坐标系定义和转换关系。利用有限元法描述挠性附件的振动,推导了包含挠性附件振动的机械臂末端执行器与卫星基座之间的运动学关系,建立了带挠性附件的浮动基座空间机械臂系统运动学模型。基于拉格朗日法和有限元理论建立了系统的动力学模型。考虑基座姿态受控和自由漂浮空间机械臂系统具有的力学属性分别建立了两种状态的系统动力学模型,准确描述了卫星基座、机械臂和挠性附件三者之间的动态耦合关系,并针对动力学方程的结构特点进行了分析。然后,针对基座姿态受控状态下的空间机械臂设计了给定时间预设性能的跟踪控制器,保证了关节角位置和速度误差渐近收敛到包含原点的预设残差集内,且系统的瞬态和稳态性能满足预先设定的指标要求,简化了一般非线性控制通过冗杂的控制器参数调节以获得满足要求的控制性能的过程。控制过程中采用了一种给定时间可达的性能函数,保证了系统的镇定时间,通过误差转换映射将受约束的系统等价转换为不受约束的反馈系统后进行控制器设计,并基于Lyapunov理论严格证明了闭环系统的给定时间稳定性。接着,针对带挠性附件的空间机械臂系统的基座姿态与机械臂关节控制问题,基于滑模控制与浸入与不变流形理论设计了一体化协调控制器,保证了基座姿态角和机械臂关节角跟踪误差能够渐近地收敛到原点的小邻域内。分别针对基座姿态和机械臂子系统设计分离滑模控制器的方案,往往因存在较多的未知扰动和未建模动态等不确定性因素,存在对扰动估计较难问题,针对这一问题,论文充分利用了基座姿态与机械臂关节之间的动态耦合效应,基于基座姿态与机械臂耦合动力学方程设计了一体化协调控制器,提高了系统的稳定性和响应能力。同时,基于基座姿态与机械臂耦合动力学方程的典型二阶动态系统的特点,利用浸入与不变流形理论设计了抛物线型流形,使得系统跟踪误差相轨迹能够沿更符合其自然演化的轨迹收敛到原点附近邻域,克服了传统滑模控制中因为线性滑模面和符号函数的存在导致的控制力矩出现抖振的缺点。最后,针对自由漂浮状态下带挠性附件的浮动基座空间机械臂系统,研究了机械臂的自适应跟踪和挠性附件振动混合控制问题。针对系统存在的不确定性以及外界干扰,基于微分跟踪器原理设计了非线性扰动观测器在线估计系统的集中扰动项,所设计的扰动观测器不依赖于扰动上下界的先验信息,通过对不确定扰动的有效估计和补偿,实现了空间机械臂系统在具有不确定扰动的情况下对参考信号的精确跟踪。为了减小机械臂控制对挠性附件振动的激励,利用机械臂运动与基座和挠性附件振动之间的动态耦合关系,基于能量原理引入振动相关量设计了一种自适应跟踪与振动混合控制器,实现机械臂关节有效跟踪参考轨迹的同时,实时控制挠性附件的振动。