專利名稱：太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動模擬主動控制裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型柔性結(jié)構(gòu)振動控制，特別是涉及一種撓性太空帆板結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn) 振動多模態(tài)主動控制裝置和方法，具體地說是提供一種針對模擬撓性太空帆板懸臂撓性板 結(jié)構(gòu)，應(yīng)用基于壓電傳感器和驅(qū)動器優(yōu)化配置實現(xiàn)多彎曲和多扭轉(zhuǎn)模態(tài)在檢測和控制上解 耦的多模態(tài)振動主動控制裝置和方法。
背景技術(shù)：
隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的性能提出了新的要求。大型化、低剛度 與柔性化是航天器結(jié)構(gòu)的一個重要發(fā)展趨勢。大型結(jié)構(gòu)可以增加空間結(jié)構(gòu)的功能，大型柔 性附件的使用一方面增加了航天器設(shè)計和制造的靈活性，降低了發(fā)射成本，如大型太陽能 電池陣可為空間結(jié)構(gòu)提供更加充足的能源。但這同時也給結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造和使用帶來了 一系列新的問題。大型模塊化的空間站，太陽能電池板，大型衛(wèi)星天線，光學(xué)系統(tǒng)及其支 承體結(jié)構(gòu)，空間機(jī)械臂等，需要在相當(dāng)長的運行時間內(nèi)保證高的運行精度?？墒牵@類大 型柔性結(jié)構(gòu)的振動問題越來越突出，大型柔性結(jié)構(gòu)的剛度低，模態(tài)頻率高階且低頻密集， 模態(tài)阻尼小，太空環(huán)境又無外阻，如不釆取措施對其振動進(jìn)行有效抑制，在太空運行時， 一旦受到某種擾動的作用，其大幅度的振動要延續(xù)很長時間。這不僅會通過與主體的耦合 影響航天器姿態(tài)的穩(wěn)定和定向精度等問題，如持續(xù)的振動可妨礙太陽帆板面跟蹤太陽，衛(wèi)星天線和光學(xué)儀器的指向精度，以及空間機(jī)械手的定位精度等；還將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過早的疲 勞破壞，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命，或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)中儀器的損壞，甚至使航天器失效，這在實際 的航天器中已有例證。因此，為了提高大型撓性空間結(jié)構(gòu)的工作性能和精度，必須對撓性 結(jié)構(gòu)進(jìn)行"在軌"振動控制。特別在太空條件下，撓性結(jié)構(gòu)更加難以控制，因此，大型柔 性結(jié)構(gòu)振動的主動控制就成為當(dāng)今世界普遍關(guān)注而富有挑戰(zhàn)性的重要課題，研究大型空間 結(jié)構(gòu)的振動特性，并對其進(jìn)行振動控制是空間結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)中的一個重要課題和難點。美 國國家研究理事會在《新世紀(jì)的太空技術(shù)》報告中，就將"在失重條件下能使各種天線和 望遠(yuǎn)鏡保持穩(wěn)定"列為影響太空探索的六大關(guān)鍵技術(shù)之一。撓性結(jié)構(gòu)的控制問題由來已久， 卻仍然具有巨大的挑戰(zhàn)性。尤其是需要精確地控制其姿態(tài)和指向。為了確保航天飛行系統(tǒng) 能夠長期穩(wěn)定的工作，必須對航天飛行器的大型撓性附件的振動進(jìn)行有效地控制。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一種被動結(jié)構(gòu)，采用被動振動控制(PVC)， 一旦設(shè)計、制造完成后，其性能不易改變，不能適應(yīng)不斷發(fā)展的空間結(jié)構(gòu)的要求，因此，人們寄希望于新穎的主動振動 控制(AVC)技術(shù)，技術(shù)的高難度與重要的應(yīng)用價值吸引了各相關(guān)領(lǐng)域的眾多研究人員，形成 在振動主動控制研究領(lǐng)域中最為活躍的一個側(cè)面，從而有力地推動了智能結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和發(fā) 展。智能結(jié)構(gòu)思想的出現(xiàn)，為解決大型航天撓性結(jié)構(gòu)的振動控制問題提供了新的思路。釆 用智能材料和智能結(jié)構(gòu)技術(shù)對空間撓性結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動振動控制，利用智能材料作為敏感器 和致動器提高結(jié)構(gòu)的阻尼，吸收和消耗系統(tǒng)的能量，實現(xiàn)撓性結(jié)構(gòu)的快速振動抑制，提高 航天器姿態(tài)穩(wěn)定性和指向精度。大型空間柔性結(jié)構(gòu)的振動主動控制中的一個重要問題傳感器和驅(qū)動器的優(yōu)化配置問 題，包括確定控制律和確定傳感器與驅(qū)動器的數(shù)目和位置優(yōu)化問題解決，以最少的數(shù)目、 最佳的位置實現(xiàn)控制目的。局部閉環(huán)控制(低權(quán)控制)就是利用結(jié)構(gòu)自身的驅(qū)動器和傳感 器同位配置實現(xiàn)反饋控制，同位控制能保證受控彈性體不發(fā)生觀測溢出和控制溢出。全局 控制(高權(quán)控制)的目的在于抑制結(jié)構(gòu)特定點的振動響應(yīng)，這種控制通常是傳感器和驅(qū)動 器非同位(異位)配置的控制形式，需要精確的輸入輸出系統(tǒng)模型，主要存在的問題是如 何保證系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性和提高魯棒性。采用智能材料和智能結(jié)構(gòu)技術(shù)對空間撓性結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動振動控制，利用智能材料作為 敏感器和致動器提高結(jié)構(gòu)的阻尼，吸收和消耗系統(tǒng)的能量，達(dá)到振動抑制的目的。智能結(jié) 構(gòu)的優(yōu)化配置確保其對撓性結(jié)構(gòu)具有較好的能控性和能觀性，對撓性結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和模型 降階以及研究智能控制理論及方法，實現(xiàn)撓性結(jié)構(gòu)的快速振動抑制，提高航天器姿態(tài)穩(wěn)定 性和指向精度。技術(shù)的高難度與重要的應(yīng)用價值吸引了各相關(guān)領(lǐng)域的眾多研究人員，但是 現(xiàn)有技術(shù)中，研究主要集中在智能材料及其振動控制的簡單模型研究和試驗研究，對基于 壓電智能結(jié)構(gòu)的一維梁的優(yōu)化配置和主動振動控制算法研究的很多，控制的是梁彎曲振動 模態(tài)。但對于大型撓性懸臂板結(jié)構(gòu)的振動控制，理論分析和工程實際應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟， 還有諸多問題需要解決。針對大型撓性太空帆板結(jié)構(gòu)的振動控制方面，現(xiàn)有技術(shù)尤其存在 以下不足(1) 選用板的幾何尺寸較小，模態(tài)頻率較高， 一般在幾十赫茲以上，比太空陽帆板的 模態(tài)頻率高得的很多，不能用它來模擬太陽帆板的控制研究，并且，對大型撓性帆板結(jié)構(gòu) 的快速振動控制沒有很好地解決；(2) 太空帆板基本上為懸臂外伸板結(jié)構(gòu)，擾動激勵的振動包括彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動， 現(xiàn)有技術(shù)主要針對彎曲模態(tài)振動控制，但基于壓電傳感器和驅(qū)動器的優(yōu)化配置實現(xiàn)彎曲和 扭轉(zhuǎn)模態(tài)的檢測和控制上的解耦的問題沒有很好地解決，容易帶來觀測和控制"溢出"問題；為了克服"溢出"問題，需要根據(jù)彎曲和扭轉(zhuǎn)前幾階模態(tài)頻率來設(shè)計模擬或數(shù)字帶通 濾波器，通過濾模態(tài)的方法實現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)振動的解耦，這樣在應(yīng)用中會帶來相位滯后等問題，并且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；(3) 在實際系統(tǒng)中，使用壓電陶瓷片實現(xiàn)振動控制同時存在數(shù)目和位置優(yōu)化問題。該 類結(jié)構(gòu)的傳感器和驅(qū)動器優(yōu)化配置問題即傳感器與驅(qū)動器的最優(yōu)數(shù)量選擇、最佳尺寸和 位置優(yōu)化配置問題并沒有很好的解決。釆用傳感器和驅(qū)動器同位的問題是容易造成虛假的 抑制現(xiàn)象，即傳感器的輸出被抑制而振動未被抑制的情況，這是由于同位配置的應(yīng)力集中 導(dǎo)致的局部剛化的局部控制問題。異位配置由于不同模態(tài)的相位差不同等因素又會引起系 統(tǒng)控制的穩(wěn)定性問題；(4) 考慮航天器發(fā)生重量成本和體積的限制，所以要求壓電陶瓷電源要求小型化，小 型化的壓電陶瓷電源的技術(shù)實現(xiàn)沒有很好地解決。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于客服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種撓性懸臂板的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)在檢 測和驅(qū)動控制上解耦的多模態(tài)振動主動控制撓性板裝置。 本發(fā)明的另一目的在于提供利用上述裝置的控制方法。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思為大型撓性太空帆板結(jié)構(gòu)基本為懸臂外伸撓性板結(jié)構(gòu)，其低階模態(tài)的振動包括多彎曲模 態(tài)和多扭轉(zhuǎn)模態(tài)，釆用智能結(jié)構(gòu)分布式壓電傳感器和驅(qū)動器，進(jìn)行大型撓性結(jié)構(gòu)振動的測 量和控制方法研究，以實現(xiàn)撓性結(jié)構(gòu)的快速振動抑制，提高航天器的姿態(tài)穩(wěn)定性和指向精 度。以壓電陶瓷元件作為傳感器和驅(qū)動器材料，以工業(yè)控制計算機(jī)作為控制平臺，通過軟 件編程實現(xiàn)人機(jī)交互界面進(jìn)行信號實時顯示、控制算法運行和輸出控制。為了很好地對大 型撓性板結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)進(jìn)行有效的分析和快速抑制，利用多路壓電傳感器和驅(qū)動 器的優(yōu)化配置，實現(xiàn)了對撓性懸臂板的多彎曲模態(tài)和多扭轉(zhuǎn)模態(tài)在檢測和驅(qū)動控制上的解 耦。根據(jù)壓電傳感器感知的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)信息，運行主動振動控制策略，通過壓電陶瓷 電源放大器分別驅(qū)動壓電驅(qū)動器控制彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動，從而實現(xiàn)振動主動抑制的目 的。本發(fā)明提供了一種模擬太空撓性板結(jié)構(gòu)彎曲和扭轉(zhuǎn)振動主動控制研究的試驗方法和試 驗裝置。根據(jù)上面的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用的技術(shù)方案和方法如下?lián)闲蕴辗鍙澢团まD(zhuǎn)模態(tài)振動模擬主動控制裝置，包括撓性板、彎曲模態(tài)壓電驅(qū) 動器、彎曲模態(tài)傳感器、扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器、扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器、低頻電荷放大器，多通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)、多通道D/A轉(zhuǎn)換卡，多路壓電驅(qū)動高壓放大器、任意函數(shù)信號 發(fā)生器和顯示器；撓性板通過機(jī)械支架夾持裝置固定為懸臂板，在撓性板固定端橫向20 25mm處前后兩面對稱粘貼的多片彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器，多片彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器之間在撓 性板的縱向距離為20 - 160mm，姿態(tài)角度為0° ;彎曲模態(tài)傳感器在撓性板的橫向靠近固定 端20 25mm處，位于撓性板的縱向中線，姿態(tài)角度為0° ;在撓性板上雙面反對稱粘貼多 片壓電陶瓷片組成扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器的壓電陶瓷片之間在橫向距離為35 ~ 100mm;雙面反對稱粘貼多片壓電陶瓷片組成的扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器，扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器的壓電陶 瓷片姿態(tài)角度為45。，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器靠近撓性懸臂板的自由端，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器和扭轉(zhuǎn) 模態(tài)傳感器之間距離的范圍為80 200mrn，彎曲模態(tài)傳感器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器分別與低頻 電荷放大器連接，低頻電荷放大器通過多通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡與計算機(jī)信號連接，計 算機(jī)接顯示器；多片彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器和多片壓電陶瓷片組成扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器分別與多 路壓電驅(qū)動高壓放大器連接，彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器中的所有壓電陶瓷片雙面極性相反并聯(lián) 連接在一起組成一路彎曲驅(qū)動器與連接，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器是雙面極性相同并聯(lián)連接在一起 組成一路扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器與連接，多路壓電驅(qū)動高壓放大器通過多通道D/A轉(zhuǎn)換卡與計算 機(jī)信號連接；多路壓電驅(qū)動高壓放大器還與任意函數(shù)信號發(fā)生器信號連接。所述反對稱粘貼是指正面的壓電陶瓷片姿態(tài)角度為45° ,反面壓電陶瓷片的姿態(tài)角與 正面垂直，都位于撓性板3的縱向中間位置。所述彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器1的壓電陶瓷片優(yōu)選共八片；扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電驅(qū)動器4和扭轉(zhuǎn) 模態(tài)傳感器5分別優(yōu)選六片壓電陶瓷片，每面三片。所述壓電驅(qū)動電壓放大器由直流+ 12V提供電源的直流電源模塊之一和直流電源模塊 之二分別與可調(diào)電位計之一和可調(diào)電位計之二連接，直流電源模塊之一和直流電源模塊之 二還分別與放大器集成電路芯片連接，放大器集成電路芯片分別接輸入端和輸出端；放大 器集成電路芯片通過電阻之一接地；放大器集成電路芯片還通過電阻之二與輸出端連接。應(yīng)用上述裝置的撓性太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動主動控制方法，包括如下步驟(1) 開啟計算機(jī)，參數(shù)初始化，包括控制算法參數(shù)的初始值設(shè)定、A/D數(shù)據(jù)采集和D/A 輸出控制卡相應(yīng)的初始數(shù)據(jù)、控制地址和驅(qū)動方式的設(shè)定；(2) 開啟電荷放大器和壓電驅(qū)動高壓放大器，采用激振力錘激振辨識法或釆用函數(shù)信 號發(fā)生器產(chǎn)生掃描頻率正弦信號經(jīng)過壓電陶瓷電源激勵彎曲模態(tài)驅(qū)動器或扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動 器，激勵彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動，辨識得到的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)頻率；(3) 利用辨識得到的振動頻率信息，實現(xiàn)彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的控制策略；控制策略包括對采集的信號進(jìn)行經(jīng)典的滑動平均濾波處理，控制采樣時間為lms,采用多個個釆 樣數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動平均，并釆用復(fù)合PPF&PD非線性控制算法計算；根據(jù)步驟(2)辨識得到的 彎曲和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)頻率，通過人機(jī)交互界面輸入到PPF&PD非線性控制策略中，為主動控 制設(shè)置好了相應(yīng)的參數(shù)；
(4) 用激振力錘按照步驟(2)的激振方法激勵撓性板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動，通過彎曲 模態(tài)的壓電傳感器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器分別將釆集的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)大的信息經(jīng)過電荷放大 器后，通過A/D轉(zhuǎn)換卡采集振動信息，在顯示器通過兩個窗口分別實時顯示彎曲和扭轉(zhuǎn)模 態(tài)的振動信息，通過人機(jī)界面，開啟控制策略，控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換卡的輸出信號經(jīng)過壓電 陶瓷電源放大后驅(qū)動彎曲模態(tài)驅(qū)動器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器，分別同時進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的 振動控制；
(5) 開啟施加控制策略后，通過顯示器實時顯示彎曲和扭轉(zhuǎn)振動控制效果，并記錄存儲 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；
(6) 重復(fù)步驟(4)、 (5)，并根據(jù)振動效果的觀測和存儲數(shù)據(jù)分析，反復(fù)調(diào)整控制策略 的相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行試驗，參數(shù)調(diào)整為步驟(l)中所述的PPF&PD控制算法參數(shù)，直到獲得良 好的控制效果。
所述步驟(5)記錄存儲數(shù)據(jù)的格式為.dat文件格式，便于分析和處理。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較具有如下優(yōu)點和有益效果
(1) 本發(fā)明選用的試驗裝置的撓性懸臂板尺寸較大，用激振力錘激勵也接近實際情況， 可模擬太空帆板受到某種擾動引起的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動控制，如航天器的調(diào)姿引起的振動等， 這里尤其是同時體現(xiàn)了多扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)的檢測和控制。并且，僅釆用數(shù)量不多的壓電陶瓷 片實現(xiàn)振動一種，增加重量對本體結(jié)構(gòu)影響不大。
(2) 本發(fā)明的撓性太空帆板裝置通過壓電傳感器和驅(qū)動器的優(yōu)化配置實現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn) 振動模態(tài)在檢測和驅(qū)動控制上的解耦，分別進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的控制。
(3) 在壓電傳感片和驅(qū)動片優(yōu)化配置時，利用多片平均效應(yīng)，補償了壓電陶瓷片參數(shù) 特性的差異，粘貼位置的誤差以及粘貼膠厚度差異等因素的影響，并在此基礎(chǔ)上通過組合 抵消，實現(xiàn)了彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)在檢測和驅(qū)動控制上的解耦，很好地解決了觀測和控制"溢 出"問題，并增加了驅(qū)動能力。壓電傳感片和驅(qū)動片之間的一定距離，按本裝置中的配置 尺寸進(jìn)行粘貼，即保證了傳感器和驅(qū)動器信號同位，由克服了由于異位配置帶來的穩(wěn)定性 問題。
(4) 在壓電驅(qū)動器設(shè)計了兩種小型化的壓電陶瓷電源，只要提供+12V直流電源供電即可，這樣使得整個多路壓電陶瓷電源無論在重量和體積上都可以做得很小，滿足航天發(fā)射 重量成本和體積的限制要求，并不需要交流電的提供。
(5)基于工業(yè)控制計算機(jī)和采集控制卡進(jìn)行多通道的辨識和控制，軟件編程實現(xiàn)實時 顯示界面，操作方便。主動振動控制的試驗研究結(jié)果表明，本發(fā)明的方法很好地實現(xiàn)了彎 曲和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)的解耦，并且快速實現(xiàn)振動抑制。


圖l是本發(fā)明的模擬撓性太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動主動控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是圖1示實例中懸臂板的壓電傳感器和驅(qū)動器優(yōu)化配置分布示意圖。 圖3是圖2示懸臂板中壓電智能撓性結(jié)構(gòu)板正面壓電陶瓷片分布示意圖。 圖4是圖2示懸臂板中壓電智能撓性結(jié)構(gòu)板背面壓電陶瓷片分布示意圖。 圖5是圖1示實例中系統(tǒng)振動控制程序流程框圖。
圖6 (a)和圖6 (b)分別是圖1示實例中第一階彎曲模態(tài)振動未控制和控制響應(yīng)時間歷程圖。
圖7(a)和圖7(b)分別是圖1示實例中前二階彎曲模態(tài)振動未控制和控制響應(yīng)時間歷程圖。
圖8(a)和圖8(b)分別是圖l示實例中第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動未控制和控制響應(yīng)時間歷程圖。
圖9(a)和圖9(b)分別是圖1示實例中前二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動未控制和控制響應(yīng)時間歷程圖。
圖io是壓電陶瓷電源連接關(guān)系示意圖。
具侏實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限 于實施例表達(dá)的范圍。
撓性太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動模擬主動控制裝置為圖1所示的試驗裝置，如圖1 所示，選取撓性板3外伸尺寸為1(M5mmx 500mmx1. 78mm (分別為長、寬、高，在坐標(biāo)系 中分別為l 7和z)的環(huán)氧樹脂板作為模擬撓性太空帆板，環(huán)氧樹脂板彈性模量為 ￡p=34.64GPa,密度為^=1 865kg/m3。機(jī)械支架夾持裝置14包括扁平矩形基坐板，矩形
柱狀支架和等腰梯形夾板，夾板用于夾持撓性板3。將撓性板3的夾持端加工，鉆出螺栓 連接孔，以便與支架和夾板的固定夾持。選用環(huán)氧樹脂板，這種材料具有較好的強度和柔性，可以按圖l、 2所示一端固定懸臂安裝；選取環(huán)氧樹脂板的幾何尺寸能夠較好地體現(xiàn)懸 臂板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動，并且在進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)振動主動控制試驗時，重力因素對板 結(jié)構(gòu)性能的基本無影響，懸臂固定的穩(wěn)定性較好。如果在地面原理性裝置的尺寸做得太大 也會帶來諸多問題，比如，由于在地面上重力的影響，太大會使懸臂支撐的撓性板失穩(wěn)， 可能翹曲，這樣則無法進(jìn)行試驗研究；另外，太大，則空氣阻尼的影響較大，不利于釆用 壓電智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動振動控制的模擬太空帆板的接近真空環(huán)境，試驗環(huán)境不允許。該撓 性板3具有模態(tài)頻率低、阻尼小等特點。從一般的角度來說，對模擬撓性太空帆板選擇要 求為可以根據(jù)長寬和厚度能夠支撐即可，并且懸臂支撐時不發(fā)生翹曲，穩(wěn)定性要好。
該試驗裝置還包括撓性板3、彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器l、彎曲模態(tài)傳感器2、扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū) 動器4、扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器5。在撓性板固定端橫向20 - 25mm處前后兩面對稱粘貼的多片壓 電陶瓷片，多片壓電陶瓷片之間在撓性板的縱向距離為20 - 160mm,姿態(tài)角度為0° ，多片 壓電陶瓷片雙面極性相反并聯(lián)連接在一起組成彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器1;對于彎曲模態(tài)，本 實例中選取八片對稱分布，選取距離為90mm;彎曲模態(tài)傳感器也為壓電陶瓷片；彎曲模態(tài) 傳感器2在撓性板3的橫向靠近固定端20 - 25mm處，位于撓性板3的縱向中間位置；在撓 性板雙面反對稱粘貼多片壓電陶瓷片，壓電陶瓷片雙面極性相同并聯(lián)連接在一起組成扭轉(zhuǎn) 模態(tài)驅(qū)動器4，反對稱粘貼是指正面的壓電陶瓷片姿態(tài)角度為45° ，反面壓電陶瓷片的姿 態(tài)角與正面垂直，都位于撓性板3的縱向中間位置，橫向范圍可選35 - 100mm,扭轉(zhuǎn)模態(tài) 驅(qū)動器4的壓電陶瓷片之間雙面接線信號的極性相同，并聯(lián)連接聯(lián)系一起組成扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū) 動器。本實例中選六片壓電陶瓷片，每面三片壓電陶瓷片在撓性板3的雙面按圖2的位置 反對稱分布粘貼，距離為48mm，組成扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4。雙面反對稱粘貼多片壓電陶瓷片 組成的扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器5，其反對稱粘貼和多片分布與扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4的壓電陶瓷片類 似，按圖2的位置靠近撓性懸臂板3的自由端，這樣扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電驅(qū)動器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感 器的分布就抵消彎曲模態(tài)的信息，僅能檢測和驅(qū)動扭轉(zhuǎn)模態(tài)。如圖2所示，在撓性板2的 橫向中間位置還安裝了一路壓電陶瓷片，在板的中線還安裝了一路扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器，這些 都是在試驗裝置建立時粘貼的，目的是為了其它研究用。
因為壓電陶瓷片具有正效應(yīng)和逆效應(yīng)，所以即可以用作傳感器，也可以用作驅(qū)動器。 當(dāng)壓電陶瓷片在長度方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它 的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這 種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。依據(jù)正壓電效 應(yīng)壓電陶瓷片可作為壓電傳感器。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，依據(jù)逆 壓電效應(yīng)壓電陶瓷片可作為壓電驅(qū)動器。根據(jù)力學(xué)知識，當(dāng)壓電陶瓷片的姿態(tài)角度為0° 時，粘貼在懸臂板的固定端，則產(chǎn)生和感知撓性懸臂板的彎曲振動模態(tài)的拉伸和壓縮應(yīng)變， 就可以作為彎曲模態(tài)驅(qū)動器和彎曲模態(tài)傳感器；當(dāng)姿態(tài)角度為45。時，并且在自由端雙面 反對稱粘貼，壓電陶瓷片的拉伸和壓縮應(yīng)變就會使得撓性懸臂板產(chǎn)生剪切應(yīng)變，就可以作 為扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器。
該試驗裝置還包括一套激振力錘6 (型號2302-10生產(chǎn)單位ENDEVC0公司)，多臺 低頻電荷放大器7(型號YE5850生產(chǎn)單位江蘇聯(lián)能電子有限公司)、多通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù) 據(jù)采集卡8 (型號PCL-818HD生產(chǎn)單位臺灣研華科技公司)、計算機(jī)9 (臺灣研華IPC610 機(jī)箱，PCA-6006主板生產(chǎn)單位臺灣研華科技公司，Pentium IV 2. 4G Intel CPU )、多 通道DM轉(zhuǎn)換卡IO (型號PCL-727生產(chǎn)單位臺灣研華科技公司)、多路壓電驅(qū)動高壓放 大器ll(型號APEX-PA241DW或APEX-PA240CX研制單位:華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 采用APEX公司放大器芯片；這里也可以釆用巿售的其他多路壓電驅(qū)動高壓放大器，但尺寸 較大并需要交流供電，而這里做到小型化，并用直流電源供電即可)、任意函數(shù)信號發(fā)生器 12 (型號F05生產(chǎn)單位南京盛普儀器科技有限公司)和顯示器13 (型號151N生產(chǎn) 單位韓國三星公司)。
圖10是壓電驅(qū)動高壓放大器(也叫做壓電陶瓷電源)11的各個部件的連接關(guān)系示意 圖，由直流+ 12V提供電源的直流電源模塊之一 21 (DW-P201-100C)和直流電源模塊之二 22 (DW-N201-100C)分別與可調(diào)電位計之一24和可調(diào)電位計之二25連接，直流電源模塊之 一 21和直流電源模塊之二 22還分別與放大器集成電路芯片23 ( APEX-PA241DW或 APEX-PA240CX)連接，可調(diào)電位計之一 24和可調(diào)電位計之二 25使得直流電源模塊之一 21 和直流電源模塊之二 22分別輸出直流+ 150V和-150V高電壓，為放大器集成電路芯片提 供電源，放大器集成電路芯片23分別接輸入端和輸出端；放大器集成電路芯片23通過電 阻之一26接地；放大器集成電路芯片23還通過電阻之二27與輸出端連接。放大器集成電 路芯片23及電阻之一 26和電阻之二 27都分別焊接到所設(shè)計的電路板上。該裝置將電壓輸 入端的電壓值Vi。放大到V。M輸出。如果選取電阻之一26的阻值為20kQ，電阻之二27的阻 值為510kQ，則放大倍數(shù)為26. 5倍，即將-5V +5V的直流電壓放大到-132. 5V-+132. 5V的 高電壓，用于驅(qū)動壓電驅(qū)動器。另一種壓電陶瓷電源是采用兩個上述壓電放大器組成的， 放大倍數(shù)可達(dá)到52倍，即將-5V +5V放大到-260V~+260V。本壓電陶瓷電源可適用于 航天器撓性附件的振動采用壓電驅(qū)動控制場合以及智能結(jié)構(gòu)振動和自適應(yīng)形狀控制；機(jī)器人的壓電驅(qū)動控制；微小機(jī)器人中壓電驅(qū)動控制；飛機(jī)的機(jī)翼等形狀自適應(yīng)控制；微機(jī)電 系統(tǒng)及精密制造中的釆用壓電陶瓷微驅(qū)動等場合。應(yīng)用本壓電陶瓷電源11實現(xiàn)了小型化， 并且直流+ 12V電源供電，通過兩個直流一直流轉(zhuǎn)換的高電壓模塊分別提供-150V和+ 150V雙極性輸出高電壓直流作為電源，給APEX-PA241DW或APEX-PA240CX放大器供電，給 出可實現(xiàn)分別放大26. 5倍和52倍的兩種類型壓電驅(qū)動電壓放大器。
彎曲模態(tài)傳感器2和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器5采用分別與低頻電荷放大器7連接(扭轉(zhuǎn)模態(tài) 傳感器5的多片壓電陶瓷片通過連接信號線組成模態(tài)傳感器后與一臺低頻電荷放大器7連 接)，低頻電荷放大器7通過多通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)釆集卡8與計算機(jī)9信號連接，計算機(jī) 9接顯示器13。彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器1和扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4分別與壓電驅(qū)動高壓放大器11 連接，這里彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器l中的所有壓電陶瓷片雙面極性相反并聯(lián)連接在一起組成 一路彎曲驅(qū)動器，與多路壓電驅(qū)動高壓放大器ll連接，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4是雙面極性相同 并聯(lián)連接在一起組成一路扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器，與多路壓電驅(qū)動高壓放大器ll連接，多路壓電 驅(qū)動高壓放大器11通過多通道D/A轉(zhuǎn)換卡10與計算機(jī)9信號連接；多路壓電驅(qū)動高壓放 大器11還與任意函數(shù)信號發(fā)生器12信號連接。數(shù)據(jù)采集卡8和D/A轉(zhuǎn)換卡10可插入計算 機(jī)9的I0擴(kuò)展槽ISA總線槽中。
應(yīng)用時，釆用有限元方法或模態(tài)解析方法對模擬撓性太空帆板進(jìn)行模態(tài)分析計算，獲 得撓性板的前二階彎曲振動模態(tài)的頻率和前二階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)的頻率和模態(tài)曲面，目的是 理論分析模態(tài)頻率，與實驗辨識相互驗證，分析按照步驟(l)的選取懸臂板的尺寸是否滿足 模擬太空帆板實驗要求，并在控制算法設(shè)計時參考。
根據(jù)能控性(彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器1和扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4分別對撓性懸臂板的驅(qū)動控 制能力)和能觀性(彎曲模態(tài)傳感器2和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器5分別對撓性懸臂板振動的觀測 能力)準(zhǔn)則，對壓電陶瓷片傳感器和驅(qū)動器進(jìn)行優(yōu)化配置，并用環(huán)氧膠將壓電傳感片和驅(qū) 動片在環(huán)氧板的正反面進(jìn)行粘貼。在壓電陶瓷片進(jìn)行優(yōu)化分布時，對于彎曲模態(tài)，彎曲模 態(tài)壓電驅(qū)動器1的壓電陶瓷片之間的在3的縱向距離范圍可選50 - 250mm對稱分布， 一片 檢測彎曲模態(tài)的壓電傳感器2，在撓性板3的縱向中間位置，彎曲模態(tài)傳感器2和彎曲模 態(tài)壓電驅(qū)動器1中最近壓電陶瓷片的距離范圍為20 - 200mm;在3的橫向靠近固定端20mm 處，在撓性板上雙面反對稱粘貼多片壓電陶瓷片組成扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4,反對稱粘貼是指 正面的壓電陶瓷片姿態(tài)角度為45° ,反面壓電陶瓷片的姿態(tài)角與正面垂直，多片在撓性板 3的縱向中間位置，橫向范圍可選35 100腿，多片之間雙面接線信號的極性相同并聯(lián)連接 聯(lián)系一起組成扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器。雙面反對稱粘貼多片壓電陶瓷片組成的扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器5,這里的反對稱粘貼和多片分布與扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4類似，多片之間雙面接線信號的極性相 同并聯(lián)連接聯(lián)系一起組成一路扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器。扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器5之 間距離的范圍為80 - 200mrn,壓電陶瓷片的尺寸為50 mmxl5 mmxl mm ,彈性模量和壓電
應(yīng)變常量分別為&=63GPa， rf31=166 pm/V。如果撓性懸臂板的尺寸增加，則按照給出的距 離關(guān)系增加彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器1、扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器5的壓電陶瓷片 的數(shù)目，這樣扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電驅(qū)動器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器的分布就抵消彎曲模態(tài)的信息，僅能 檢測和驅(qū)動扭轉(zhuǎn)模態(tài)。
具體到本實例中，對于彎曲模態(tài)驅(qū)動器，選取八片對稱分布，本實例選取在撓性板3 的縱向距離為90mm,在撓性板3的橫向靠近固定端20mm處，雙面按圖2、圖3和圖4的位 置對稱粘貼； 一片檢測彎曲模態(tài)的壓電傳感器2，在撓性板3的橫向靠近固定端20mm處， 在撓性板3的縱向中間位置；本實例中扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器選六片每面三片壓電陶瓷片在撓性 板3的雙面按圖2、圖3和圖4的位置反對稱分布粘貼，在撓性板3的縱向的中間位置， 在撓性板3的橫向距離為48mm;扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器分布類似，之間的距離 為126mm。
如圖2、 3、 4所示，彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器1，共八片，在環(huán)氧樹脂板的正反面對稱粘 貼，每面四片，雙面的信號線極性相反，僅驅(qū)動多階彎曲模態(tài)；彎曲模態(tài)的壓電傳感器2 僅一片壓電陶瓷片粘貼在根部的中間位置，僅檢測多階彎曲模態(tài)；扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4共六 片壓電陶瓷片，每面三片壓電陶瓷片，在撓性板上正反面反對稱粘貼，雙面的信號線的極 性相同，這樣抵消掉彎曲模態(tài)，僅驅(qū)動扭轉(zhuǎn)模態(tài)；扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器5共六片壓電陶瓷片， 每面三片，在撓性板上正反面反對稱粘貼，雙面的信號線的極性相同，這樣抵消掉彎曲模 態(tài)，僅驅(qū)動檢測模態(tài)。這里驅(qū)動器1距離傳感器2最近的一片在撓性板3的縱向之間的距 離為90mm，在撓性板3的橫向彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器1和彎曲模態(tài)的壓電傳感器2靠近固定 端20mm處，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器5分別由六片雙面反對稱粘貼的壓電陶瓷 片構(gòu)成，之間的距離為126mm,扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4和彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器1或彎曲模態(tài)的 壓電傳感器2在撓性板3的橫向距離為693mm。這里彎曲模態(tài)壓電陶瓷片的姿態(tài)角度(壓 電陶瓷片與撓性板3的橫向夾角)為0° ，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4和彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器1采 用多片壓電陶瓷片是為了增加驅(qū)動能力。扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感和扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器分別多片壓電陶 瓷片反對稱粘貼，目的是為了抵消彎曲模態(tài)的信息，僅檢測扭轉(zhuǎn)和驅(qū)動模態(tài)。采用多片壓 電陶瓷片是利用多片壓電陶瓷片的平均效應(yīng)，這樣補償了由于壓電陶瓷片的參數(shù)特性差而異引起的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)解耦不徹底的問題，尤其是扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動片分 別多片雙面反對稱粘貼，還可以補償由于粘貼位置和理想畫圖尺寸的一些誤差，以及粘貼 膠的厚度差異等因素，充分抵消彎曲模態(tài)信息，實現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的解耦。并且，從試 驗振動控制結(jié)果表明，這樣優(yōu)化配置可以實現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)很好地解耦(因為撓性 懸臂板的振動模態(tài)包含多彎曲和多扭轉(zhuǎn)模態(tài)耦合在一起的，解耦是通過壓電傳感器和驅(qū)動 器的優(yōu)化配置將彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)在檢測和驅(qū)動控制分離出來，分別進(jìn)行)，并且，彎曲模態(tài) 壓電驅(qū)動器1在端部粘貼8片，可以滿足對多彎曲模態(tài)振動快速抑制的要求，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū) 動器在安裝端端部粘貼6片，可以滿足對多扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動快速一種的要求。
壓電陶瓷片傳感器的輸出電荷與撓性板板表面應(yīng)變的關(guān)系，稱之為壓電傳感方程，撓 性板板的彎曲模態(tài)壓電傳感片輸出電荷可表示為
式中S為單片彎曲壓電傳感片所覆蓋的區(qū)域，W(X，乂O為板的橫向振動位移，631為傳
感片的彎曲模態(tài)壓電應(yīng)力常數(shù)，r為壓電傳感片中面到板中性面間的距離。
因為扭轉(zhuǎn)模態(tài)的傳感器為六片并聯(lián)，所以板的扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電傳感片輸出電荷可表示為
式中5為單片扭轉(zhuǎn)壓電傳感片所覆蓋的區(qū)域，w(x，乂^為板的橫向振動位移，^6為傳 感片的扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電應(yīng)力常數(shù)，r為壓電傳感片中面到板中性面間的距離。
從中可以看出，它給出的是反映壓電有效區(qū)域內(nèi)板表面平均應(yīng)變的電荷值，它表明壓 電傳感片的輸出電荷與其覆蓋的基體結(jié)構(gòu)表面的平均應(yīng)變成正比，即用壓電傳感片可測得 板結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，即分別反映撓性懸臂板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動信息。壓電控制和壓電傳感 滿足一種對偶關(guān)系，在驅(qū)動控制就實現(xiàn)了彎曲和扭轉(zhuǎn)的解耦。
本發(fā)明控制程序基于O+編寫，其中包括A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡8和D/A轉(zhuǎn)換卡10的驅(qū) 動及轉(zhuǎn)換，信號的滑動平均數(shù)字濾波算法，實現(xiàn)友好的人機(jī)交互界面，在顯示器13實時顯 示相關(guān)信息，提供了實時觀測功能，控制的開啟和關(guān)閉，控制測量參數(shù)的輸入，數(shù)據(jù)保存 等方便操作。本發(fā)明可以實現(xiàn)友好的人機(jī)交互界面，可以在顯示器13實時顯示A/D轉(zhuǎn)換數(shù) 據(jù)采集卡8采集的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的信息，控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡10的輸出，控制算法的 實現(xiàn)和控制參數(shù)的調(diào)整，以及控制測量的開啟和關(guān)閉。應(yīng)用上述模擬智能撓性太空帆板結(jié)構(gòu)彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)主動振動控制試驗裝置的控制方 法如圖5所示，包括如下步驟(1)開啟計算機(jī)9，參數(shù)初始化，包括控制算法參數(shù)的初始值設(shè)定、A/D數(shù)據(jù)采集和 D/A輸出控制卡相應(yīng)的初始數(shù)據(jù)、控制地址和驅(qū)動方式的設(shè)定。這里采用復(fù)合PPF&PD非線 性控制算法，初始化參數(shù)有PPF算法中控制器的模態(tài)頻率、阻尼系數(shù)、控制增益，PD控 制算法中的比例控制增益、微分控制增益；彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)D/A輸出數(shù)據(jù)初始值設(shè)定為0， 保證初始狀態(tài)壓電驅(qū)動器無激勵電壓信號。(這里PPF是英文Positive Posit ion Feedback 的縮寫，表示為正位反饋控制；這里PD是英文Proportional Derivative的縮寫，表示為 經(jīng)典的比例微分控制)(2) 開啟電荷放大器7和壓電驅(qū)動高壓放大器11。采用激振力錘6激振辨識法或采用 函數(shù)信號發(fā)生器12產(chǎn)生掃描頻率正弦信號經(jīng)過壓電陶瓷電源11激勵彎曲模態(tài)驅(qū)動器1或 扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4，分別激勵彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動。這里用力錘激勵方法用力錘6在3 的縱向的中間位置激勵，僅可以激勵彎曲振動模態(tài)，用激振力錘6在撓性板3的橫向端部 和縱向的中間位置推出一定距離便激勵了第一階彎曲模態(tài)；用力錘在撓性板3的橫向中間 位置和縱向的中間位置敲擊一下，便記錄了前二階彎曲振動模態(tài)。用力錘激勵扭轉(zhuǎn)模態(tài)方 法用激振力錘6在撓性板3的橫向端部和縱向的端部推出一定距離便激勵了第一階扭轉(zhuǎn) 模態(tài)，若在同樣激勵位置敲擊一下便激勵前二階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)，當(dāng)然，激勵扭轉(zhuǎn)振動模態(tài) 時，同時也會激勵彎曲振動模態(tài)，但通過上述的步驟(3)壓電陶瓷片的優(yōu)化配置實現(xiàn)了彎曲 和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)在檢測和驅(qū)動控制上的解耦，這樣，將彎曲模態(tài)傳感器2和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感 器5的壓電電荷信號分別通過電荷放大器7放大后，通過釆集卡8釆集記錄彎曲和扭轉(zhuǎn)模 態(tài)自由振動響應(yīng)結(jié)果，將記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，通過編寫程序，將時域信號通過快速 傅立葉變換(FFT)獲得模態(tài)頻率。另外，釆用函數(shù)信號發(fā)生器12產(chǎn)生掃描頻率正弦信號 經(jīng)過壓電陶瓷電源11激勵彎曲模態(tài)驅(qū)動器1或扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4，分別激勵彎曲和扭轉(zhuǎn)模 態(tài)的振動，記錄壓電傳感器后分別經(jīng)過FFT變換，就可得到幅頻響應(yīng)曲線，同樣可以得到 模態(tài)頻率。這兩種方法就是模態(tài)頻率辨識方法，將辨識結(jié)果相比較和計算結(jié)果相互驗證。(3) 利用計算或辨識得到的振動頻率信息，實現(xiàn)彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的控制策略。這 里控制策略包括對釆集的信號進(jìn)行經(jīng)典的滑動平均濾波(Moving Average,縮寫為MA) 處理，目的是對傳感器的高頻噪聲進(jìn)行處理，控制采樣時間為lms,釆用20個釆樣數(shù)據(jù)進(jìn) 行滑動平均，釆用復(fù)合PPF&PD非線性控制算法等。根據(jù)步驟(2)辨識得到的彎曲和扭轉(zhuǎn)振 動模態(tài)頻率，通過人機(jī)交互界面輸入到PPF&PD非線性控制策略中，這就為主動控制設(shè)置好了相應(yīng)的參數(shù)。(4) 用力錘6按照步驟(2)的激振方法激勵撓性板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動，通過彎曲模 態(tài)的壓電傳感器2和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器5分別將釆集的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)大的信息經(jīng)過電荷放 大器7后，通過A/D轉(zhuǎn)換卡8采集振動信息，在顯示器13通過兩個窗口分別實時顯示彎曲 和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動信息，通過人機(jī)界面，開啟控制策略，控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換卡10的輸出信 號經(jīng)過壓電陶瓷電源11放大后驅(qū)動彎曲模態(tài)驅(qū)動器1和扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器4,分別同時進(jìn)行 彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動控制。用力錘在撓性板的不同點上激勵時，并且當(dāng)激勵力的大小不同時，能激勵的彎曲和扭 轉(zhuǎn)振動模態(tài)的振動幅值和階數(shù)也不同，應(yīng)對不同的激勵情況都要進(jìn)行試驗研究，以便驗證 優(yōu)化配置能否實現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的解耦及主動振動控制策略的效果，激勵彎曲和扭轉(zhuǎn)模 態(tài)振動的方法按照步驟(2)進(jìn)行。(5) 開啟施加控制策略后，通過顯示器13實時顯示彎曲和扭轉(zhuǎn)振動控制效果，并記錄 存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。記錄存儲數(shù)據(jù)的格式為.dat文件格式，將其載入圖形軟件進(jìn)行分析。(6) 重復(fù)步驟(4)、 (5),并根據(jù)振動效果的觀測和存儲數(shù)據(jù)分析，反復(fù)調(diào)整控制策略 的相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行試驗，這里參數(shù)調(diào)整為步驟(l)中所述的PPF&PD控制算法參數(shù)，直到獲 得良好的控制效果。按照步驟(2)的激勵記錄方法，經(jīng)過4次激勵，分別得到第一階、前二階彎曲模態(tài)未控 制自由衰減的響應(yīng)時間歷程圖試驗結(jié)果曲線分別如圖如圖6(a)和圖7(a)所示，分別得到第 一階、前二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)未控制自由衰減的響應(yīng)時間歷程圖試驗結(jié)果曲線分別如圖8(a)和圖 9(a)所示；其中圖6(a)和圖7 (a)是按照步驟(2)分別激勵第一階和前二階彎曲模態(tài)振動時 采集記錄彎曲模態(tài)傳感器2的信號；圖8(a)和圖9 (a)是按照步驟(5)分別激勵第一階和前 二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動時采集記錄扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器5的信號。從未控制實驗記錄的時間歷程可 知，本發(fā)明選用尺寸較大的懸臂板，振動模態(tài)頻率較低，可以模擬太空帆板的彎曲和扭轉(zhuǎn) 振動，并且該發(fā)明的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電敏感器的優(yōu)化配置方法，和現(xiàn)有技術(shù)相比，不需 要根據(jù)彎曲和扭轉(zhuǎn)振動的前幾階模態(tài)頻率設(shè)計模擬或數(shù)字帶通濾波器，即不需要通過濾模 態(tài)的方法就很好地實現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)在檢測上的解耦，從圖6 (a)和圖7 (a)與圖8 (a) 和圖9(a)的結(jié)果可知，彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)之間的信號解耦效果很好，分別表示彎曲和扭轉(zhuǎn)模 態(tài)的振動信息。采用復(fù)合非線性控制策略PPF&PD算法，對彎曲和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)進(jìn)行控制， 按照步驟(4)和(5)的方法記錄的主動控制的試驗結(jié)果如圖6(b)、圖7(b)、圖8(b)和圖9(b) 所示，其中圖6(b)和圖7(b)分別為記錄彎曲模態(tài)傳感器2得到的第一階和前二階彎曲模態(tài)振動控制響應(yīng)時間歷程圖；圖8(b)和圖9(b)分別為記錄扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器5得到的第一階和 前二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動控制響應(yīng)時間歷程圖。從控制的實驗結(jié)果可知，本發(fā)明采用的驅(qū)動器 優(yōu)化配置方法和現(xiàn)有技術(shù)相比，很好地實現(xiàn)了彎曲和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)在驅(qū)動控制上的解耦。 從實驗結(jié)果可知，彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器和驅(qū)動器的優(yōu)化配置方法，與傳統(tǒng)方法相比，即 克服了同位配置的應(yīng)力集中導(dǎo)致的局部剛化的局部控制問題，有解決了異位配置由于不同 模態(tài)的相位差不同等因素又會引起系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性問題，并且可以實現(xiàn)振動的快速抑制。 本發(fā)明的控制系統(tǒng)中研制的小型化壓電陶瓷電源，可以很好地驅(qū)動壓電驅(qū)動器，具有很好 的驅(qū)動能力，這與現(xiàn)有的壓電陶瓷電源相比，尺寸小，并且僅需要直流+ 12V電源供電即可。從本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)以及激勵和控制方法來看，操作方面，很好地模擬太空帆板彎 曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動，并通過控制方法得到了快的振動控制。圖6(a)為第一階彎曲模態(tài)未控制自由衰減的響應(yīng)時間歷程圖試驗結(jié)果曲線，從中可知， 對于撓性懸臂板第一階彎曲模態(tài)的振動，自由衰減需要很長時間，記錄40s時間振動還有 一定的幅值，振動完全消除需要70s以上時間；圖6(b)為第一階彎曲模態(tài)釆用PPD&PD控 制策略后的響應(yīng)時間歷程圖試驗結(jié)果曲線，從中可知，主動控制撓性懸臂板第一階彎曲模 態(tài)的振動，振動完全消除需要7s時間。圖7(a)為前二階彎曲模態(tài)未控制自由衰減的響應(yīng) 時間歷程圖試驗結(jié)果曲線，從中可知，對于撓性懸臂板前階彎曲模態(tài)的振動，自由衰減需 要很長時間，本圖記錄了 15s振動的自由衰減結(jié)果；圖7(b)為前二階彎曲模態(tài)采用PPD&PD 控制策略后的響應(yīng)時間歷程圖試驗結(jié)果曲線，從中可知，主動控制撓性懸臂板前二階彎曲 模態(tài)的振動，振動完全消除需要7s時間；從中可知，本發(fā)明的彎曲模態(tài)傳感器和驅(qū)動器的 優(yōu)化配置對彎曲模態(tài)振動控制的有效性。圖8(a)為第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)未控制自由衰減的響應(yīng)時間歷程圖試驗結(jié)果曲線,從中可知， 對于撓性懸臂板第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動，自由衰減需要很長時間，記錄15s時間振動還有 一定的幅值，若振動完全消除需要30s以上時間；圖8(b)為第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)采用PPD&PD 控制策略后的響應(yīng)時間歷程圖試驗結(jié)果曲線，從中可知，主動控制撓性懸臂板第一階扭轉(zhuǎn) 模態(tài)的振動，振動完全消除需要4s時間。圖9(a)為前二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)未控制自由衰減的響 應(yīng)時間歷程圖試驗結(jié)果曲線，從中可知，對于撓性懸臂板前階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動，自由衰減 需要很長時間，本圖記錄了 15s振動的自由衰減結(jié)果；圖9(b)為前二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)采用PPD&PD 控制策略后的響應(yīng)時間歷程圖試驗結(jié)果曲線，從中可知，主動控制撓性懸臂板前二階扭轉(zhuǎn) 模態(tài)的振動，振動完全消除需要4s時間；從中可知，本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器和驅(qū)動器的 優(yōu)化配置對扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動控制的有效性。從彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的主動控制試驗效果可知本發(fā)明的方法的效果。經(jīng)過多次試驗研究 結(jié)果表明，根據(jù)本發(fā)明給出的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的解耦方法，較好地實現(xiàn)了壓電智能撓性懸 臂板彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)的解耦，分別進(jìn)行控制，最終達(dá)到快速抑制撓性懸臂板振動 的目的。本發(fā)明得到國家自然科學(xué)基金項目"帶有柔性鉸鏈和基坐浮動的大型撓性結(jié)構(gòu)的建模 及振動主動控制研究"(項目編號60404020 )，國家自然科學(xué)基金空天飛行器重大研究計 劃項目"航天器剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)的智能自主控制研究"(項目編號90505014 )的資 助。
權(quán)利要求
1. 太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動模擬主動控制裝置，其特征在于，該裝置包括撓性板、彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器、彎曲模態(tài)傳感器、扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器、扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器、低頻電荷放大器，多通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)、多通道D/A轉(zhuǎn)換卡，多路壓電驅(qū)動高壓放大器、任意函數(shù)信號發(fā)生器和顯示器；撓性板通過機(jī)械支架夾持裝置固定為懸臂板，在撓性板固定端橫向20～25mm處前后兩面對稱粘貼的多片壓電陶瓷片，多片壓電陶瓷片之間在撓性板的縱向距離為20～160mm，姿態(tài)角度為0°，多片壓電陶瓷片雙面極性相反并聯(lián)連接在一起組成彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器；彎曲模態(tài)傳感器為壓電陶瓷片，在撓性板的橫向靠近固定端20～25mm處，位于撓性板的縱向中線，姿態(tài)角度為0°；在撓性板雙面反對稱粘貼多片壓電陶瓷片，壓電陶瓷片雙面極性相同并聯(lián)連接在一起組成扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器的壓電陶瓷片之間在橫向距離為35～100mm；雙面反對稱粘貼多片壓電陶瓷片組成的扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器，扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器的壓電陶瓷片姿態(tài)角度為45°，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器靠近撓性懸臂板的自由端，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器之間距離的范圍為80～200mm；彎曲模態(tài)傳感器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器分別與低頻電荷放大器連接，低頻電荷放大器通過多通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡與計算機(jī)信號連接，計算機(jī)接顯示器；彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器與扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器分別與多路壓電驅(qū)動高壓放大器連接，多路壓電驅(qū)動高壓放大器通過多通道D/A轉(zhuǎn)換卡與計算機(jī)信號連接；多路壓電驅(qū)動高壓放大器還與任意函數(shù)信號發(fā)生器信號連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動主動控制裝置，其特征在于所 述反對稱粘貼是指正面的壓電陶瓷片姿態(tài)角度為45° ,反面壓電陶瓷片的姿態(tài)角與正面垂 直，都位于撓性板的縱向中間位置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動主動控制裝置，其特征在于所 述彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器的壓電陶瓷片共八片，每面四片；扭轉(zhuǎn)模態(tài)壓電驅(qū)動器和扭轉(zhuǎn)模態(tài) 傳感器分別采用六片壓電陶瓷片，每面三片。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動主動控制裝置，其特征在于所 述壓電驅(qū)動電壓放大器由直流+ 12V提供電源的直流電源模塊之一和直流電源模塊之二分 別與可調(diào)電位計之一和可調(diào)電位計之二連接，直流電源模塊之一和直流電源模塊之二還分 別與放大器集成電路芯片連接，放大器集成電路芯片分別接輸入端和輸出端；放大器集成 電路芯片通過電阻之一接地；放大器集成電路芯片還通過電阻之二與輸出端連接。
5、 應(yīng)用權(quán)利要求l所述的裝置的太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動主動控制方法，其特征 在于包括如下步驟(1)開啟計算機(jī)，參數(shù)初始化，包括控制算法參數(shù)的初始值設(shè)定、A/D數(shù)據(jù)采集和D/A輸出控制卡相應(yīng)的初始數(shù)據(jù)、控制地址和驅(qū)動方式的設(shè)定；(2) 開啟電荷放大器和壓電驅(qū)動高壓放大器，采用激振力錘激振辨識法或采用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生掃描頻率正弦信號經(jīng)過壓電陶瓷電源激勵彎曲模態(tài)驅(qū)動器或扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器，激勵彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動，辨識得到的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)頻率；(3) 利用辨識得到的振動頻率信息，實現(xiàn)彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的控制策略；控制策略 包括對采集的信號進(jìn)行經(jīng)典的滑動平均濾波處理，控制釆樣時間為lms，釆用多個個采 樣數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動平均，并采用復(fù)合PPF&PD非線性控制算法計算；根據(jù)步驟(2)辨識得到的 彎曲和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)頻率，通過人機(jī)交互界面輸入到PPF&PD非線性控制策略中，為主動控 制設(shè)置好了相應(yīng)的參數(shù)；(4) 用激振力錘按照步驟(2)的激振方法激勵撓性板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動，通過彎曲 模態(tài)的壓電傳感器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器分別將采集的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)大的信息經(jīng)過電荷放大 器后，通過A/D轉(zhuǎn)換卡采集振動信息，在顯示器通過兩個窗口分別實時顯示彎曲和扭轉(zhuǎn)模 態(tài)的振動信息，通過人機(jī)界面，開啟控制策略，控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換卡的輸出信號經(jīng)過壓電 陶瓷電源放大后驅(qū)動彎曲模態(tài)驅(qū)動器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器，分別同時進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的 振動控制；(5) 開啟施加控制策略后，通過顯示器實時顯示彎曲和扭轉(zhuǎn)振動控制效果，并記錄存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；(6) 童復(fù)步驟(4)、 (5),并根據(jù)振動效果的觀測和存儲數(shù)據(jù)分析，反復(fù)調(diào)整控制策略 的相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行試驗，參數(shù)調(diào)整為步驟(l)中所述的PPF&PD控制算法參數(shù)，直到獲得良 好的控制效果。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動主動控制方法，其特征在于所 述步驟(5 )記錄存儲數(shù)據(jù)的格式為.dat文件格式。
全文摘要
本發(fā)明公開了太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動模擬主動控制裝置與方法。該裝置在撓性板前后兩面對稱粘貼的多片彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器，彎曲模態(tài)傳感器在撓性板的橫向靠近固定端20～25mm處，位于撓性板的縱向中線，在撓性板上雙面反對稱粘貼多片壓電陶瓷片組成扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動器，雙面反對稱粘貼多片壓電陶瓷片組成的扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳感器。該方法根據(jù)壓電傳感器感知的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)信息，運行主動振動控制策略后，通過壓電驅(qū)動電壓放大器分別驅(qū)動壓電驅(qū)動器控制彎曲和扭轉(zhuǎn)多模態(tài)的振動，從而實現(xiàn)振動主動抑制的目的。本發(fā)明利用壓電傳感片和驅(qū)動片的優(yōu)化配置，實現(xiàn)了對撓性懸臂板的彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)在檢測和驅(qū)動控制上的解耦。
文檔編號B64G1/24GK101249897SQ20081002718
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月2日
發(fā)明者邱志成 申請人:華南理工大學(xué)