CN100586798C - 基于喷气式驱动器的抑制挠性结构振动的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于喷气式驱动器的抑制挠性结构振动的装置与方法。该装置在挠性梁横向中部的正反面分别安装两个作为喷气式驱动器的喷嘴；在气动回路上，两喷嘴分别通过气动喷嘴接头与一个两位三通阀相连接，两位三通阀与气动比例阀相连接，气动比例阀与气动三联件相连，气动三联件与气泵相连；在电路驱动上，两位三通阀和气动比例阀与开关阀驱动放大电路板连接，开关阀驱动放大电路板与多通道D/A转换卡连接。抑制挠性结构振动的方法是根据压电传感器、加速度传感器感知的弯曲模态信息，运行切换控制的主动振动控制策略后，通过喷气式驱动器控制大幅值的振动快速衰减。本发明充分利用喷气式驱动器的功率大的特点，使得大幅值的振动被快速的抑制。

Description

基于喷气式驱动器的抑制挠性结构振动的装置与方法

技术领域

本发明涉及大型柔性结构振动控制，特别是涉及一种挠性太空结构的振动主动控制的装置和方法，具体地说是提供一种针对模拟挠性太空悬臂外伸挠性结构，应用基于喷气式驱动器，压电传感器和加速度传感器通过优化配置实现振动主动控制装置和方法。

背景技术

大型空间柔性结构附件如太阳帆板和天线，其明显的特征是尺寸大、重量轻、柔性大、模态阻尼小、振动固有频率低且分布密集，因此受到扰动后振动问题不可避免，因此需要对振动进行主动控制。特别在太空条件下，挠性结构更加难以控制，因此，大型柔性结构振动的主动控制就成为当今世界普遍关注而富有挑战性的重要课题，研究大型空间结构的振动特性，并对其进行振动控制是空间结构设计任务中的一个重要课题和难点。为了确保航天飞行系统能够长期稳定的工作，必须对航天飞行器的大型挠性附件的振动进行有效地控制。智能结构思想的出现，为解决大型航天挠性结构的振动控制问题提供了新的思路。采用智能材料作为敏感器和致动器组成智能结构技术对空间挠性结构进行主动振动控制，实现挠性结构的快速振动抑制，提高航天器姿态稳定性和指向精度。现有技术中对于基于压电智能结构进行挠性结构振动控制研究较多，取得了长足的进步。但对于大型挠性结构的振动控制而言，压电驱动器的功率相对较低，所以对大型挠性结构的振动抑制需要的时间较长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种快速抑制大幅值振动的基于喷气式驱动式挠性悬臂梁的弯曲模态大幅值振动快速控制装置。

本发明的另一目的在于提供利用上述装置的控制方法。

为了达到上述目的，本发明的构思为：大型挠性太空帆板结构基本为悬臂外伸挠性结构，其低阶模态的振动将持续很长时间，进行大型挠性结构振动的测量和控制方法研究，以实现挠性结构的快速振动抑制，提高航天器的姿态稳定性和指向精度。为了进行大型挠性结构的快速抑制，采用相对功率较大的气动喷嘴作为喷气式驱动器，并以压电陶瓷元件界面进行信号实时显示、控制算法运行和输出控制。为了快速地实现大型挠性结构的振动抑制，采用喷气式驱动器进行控制，补偿了压电驱动器的功率相对小的问题；通过对压电传感器和驱动器、加速度传感器和喷气式驱动器的优化配置，组合使用喷气式驱动器和压电驱动器进行挠性结构振动主动控制；采用喷气式驱动器控制大幅值的振动的快速抑制，也可以同时采用压电驱动器控制小幅值的振动，实现了智能挠性结构的振动抑制的目的；本发明提供了一种模拟太空挠性结构振动主动控制的基于组合喷气式驱动和压电智能结构进行振动控制研究的试验装置和试验方法。

根据上面的发明构思，本发明采用的技术方案如下：

基于喷气式驱动器的抑制挠性结构振动的装置，在挠性梁固定端横向20～25mm处，沿挠性梁纵向前后两面对称粘贴的多片压电陶瓷片，压电陶瓷片相互之间在挠性梁的纵向距离为20～100mm，姿态角度为0°，多片压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起组成弯曲模态压电驱动器；弯曲模态传感器为一批压电陶瓷片，贴在挠性梁的横向靠近固定端50～125mm处，位于挠性梁的纵向中线，姿态角度为0°；在挠性梁靠近自由端中部安装一只加速度传感器；弯曲模态传感器和加速度传感器分别与一台低频电荷放大器连接，低频电荷放大器通过多通道A/D转换数据采集卡与计算机连接，显示器接计算机；弯曲模态压电驱动器与压电驱动高压放大器连接，压电驱动高压放大器通过多通道D/A转换卡与计算机连接；在挠性梁横向中部的正反面分别安装一个作为喷气式驱动器的喷嘴；在气动回路上，两喷嘴分别通过气动喷嘴接头与一个两位三通阀相连接，两位三通阀与气动比例阀相连接，气动比例阀与气动三联件相连，气动三联件与气泵相连；在电路驱动上，两位三通阀和气动比例阀还分别与开关阀驱动放大电路板连接，开关阀驱动放大电路板与多通道D/A转换卡连接。

应用上述述装置的基于喷气式驱动器的抑制挠性结构振动的方法，包括如下步骤：

(1)开启计算机，参数初始化，包括控制算法参数的初始值设定、A/D数据采集和D/A输出控制卡相应的初始数据、控制地址和驱动方式的设定；

(2)开启电荷放大器和压电驱动高压放大器，采用激振力锤激振辨识法辨识得到的弯曲振动模态频率；

(3)利用辨识得到的振动频率信息，实现弯曲模态模态的控制策略；控制策略包括：对采集的信号进行经典的滑动平均滤波处理，控制采样时间为1ms，采用多个采样数据进行滑动平均，并采用控制算法计算；根据步骤(2)辨识得到的弯曲振动模态频率，通过人机交互界面输入到控制策略中，并为主动控制设置相应的参数；

交互界面输入到控制策略中，并为主动控制设置相应的参数；

(4)用激振力锤按照步骤(2)的激振方法激励挠性梁弯曲模态的振动，通过弯曲模态的压电传感器将采集的弯曲转模态的信息经过电荷放大器后，通过A/D转换卡采集振动信息，在显示器通过两个窗口分别实时显示加速度和压电陶瓷片检测弯曲模态的振动信息，通过人机界面，开启控制策略，控制量经过多功能D/A转换和开关量输出控制卡输出到开关阀驱动放大电路板，驱动板驱动气动比例阀和两位三通阀，控制喷嘴的气体流量来控制推力，从而抑制挠性梁的振动；也可以同时将控制量经D/A转换卡的输出信号经过压电陶瓷电源放大后驱动弯曲模态驱动器，同时进行弯曲模态的振动控制；

(5)开启施加控制策略后，通过显示器实时显示弯曲振动控制效果，并记录存储数据进行分析；

(6)重复步骤(4)、(5)，并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制策略的相应的参数进行试验，参数调整为步骤(1)中所述的控制算法参数，直到获得良好的控制效果。

本发明与现有技术比较具有如下突出实质性特点和显著优点：

(1)本发明的基于喷气式驱动器进行挠性智能结构振动主动控制试验装置，充分利用喷气式驱动器的功率大的特点，使得大幅值的振动被快速的抑制。

(2)本发明的的切换控制策略，根据确定振动的幅值作为开关的条件，进行两个驱动器之间进行切换作用；在大幅值振动时采用喷气式驱动器，将振动抑制到小幅值时切换采用压电驱动器，这样克服了压电驱动器功率小的限制，实现了大幅值振动的快速衰减，能量的快速消耗；并利用压电片驱动器进行精确控制，实现残余振动的控制。操作简单，应用方便。

附图说明

图1是基于喷气式驱动器的抑制挠性结构振动的装置结构示意图。

图2是图1中传感器和驱动器优化配置结构示意图的俯视图。

图3是基于喷气式驱动器的抑制挠性结构振动的方法的流程框图。

图4是实例中振动未控制响应时间历程图。

图5是实例中基于喷气式驱动器进行振动控制响应时间历程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表达的范围。

如图1所示，一种基于喷气式驱动器的抑制挠性结构振动的装置选取挠性梁3外伸尺寸为620mm×150mm×1.78mm(分别为长、宽、高，在坐标系中分别为x、y和z)的环氧树脂梁作为模拟挠性太空结构，环氧树脂梁弹性模量为E_b＝34.64GPa，密度为ρ_b＝1865kg/m3；该装置的挠性梁3通过机械支架夹持装置基坐19和支架20固定为悬臂梁。在挠性梁固定端横向20～25mm处，沿挠性梁3纵向前后两面对称粘贴的多片(本例优选4片)压电陶瓷片，压电陶瓷片相互之间在挠性梁的纵向距离为20～100mm(本实例为90mm)，姿态角度为0°，多片压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起组成弯曲模态压电驱动器1；弯曲模态传感器2为一批压电陶瓷片，贴在挠性梁的横向靠近固定端50～125mm(本实例为60mm)处，位于挠性梁的纵向中线，姿态角度为0°，弯曲模态压电驱动器1和弯曲模态传感器2的压电陶瓷片尺寸为50mm×15mm×1mm，压电陶瓷材料的弹性模量和压电应变常量分别为E_pe＝63GPa，d₃₁＝166pm/V；在挠性梁3横向中部的正反面分别安装两喷嘴4、5；在挠性梁3靠近自由端中部安装一只加速度传感器6；弯曲模态传感器2和加速度传感器6分别与一台低频电荷放大器8连接，低频电荷放大器8通过多通道A/D转换数据采集卡9与计算机10连接，显示器18接计算机10；弯曲模态压电驱动器1与压电驱动高压放大器12连接，压电驱动高压放大器12通过多通道D/A转换卡11与计算机10连接；在气动回路上，两喷嘴4、5分别与一个两位三通阀17相连接，两位三通阀17与气动比例阀16相连接，气动比例阀16与气动三联件15相连，气动三联件15与气泵14相连；在电路驱动上，两位三通阀17和气动比例阀16还分别与开关阀驱动放大电路板13连接，开关阀驱动放大电路板13与多通道D/A转换卡11连接。多通道A/D转换数据采集卡9和多通道D/A转换卡11可以是插入计算机10的IO扩展槽ISA总线槽中。

本例中，气动三联件15由空气过滤器(型号：AF30-03)、减压阀(型号：AR25-03)和油雾分离器(型号：AFM30-03)组成，通过2个隔板(型号：Y300T)组装在一起，并带有压力表(型号：G36-10-01)一个，由日本SMC气动公司生产；两位三通阀17是日本SMC气动公司生产，型号：VK332-5G-01；气动比例阀16由日本SMC气动公司生产，型号：ITV2050-212L；气动喷嘴接头日本SMC气动公司生产，型号：KQ2E06-01，喷嘴4、5由广州市森美高气动器材有限公司提供的液柱流金属喷嘴，孔径分别为0.79mm，1.2mm，1.5mm和2.5mm四种类型的喷嘴，根据需要选取孔径；气泵是上海捷豹压缩机制造有限公司生产的型号为FB-0.017/7的静音空气压缩机。激振力锤6可用ENDEVCO公司生产的2302-10型激振力锤。极低频电荷放大器8可选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；多通道A/D转换数据采集卡9可用台湾研华科技公司生产的型号为PCL-818HDA/D转换数据采集卡；计算机10可用台湾研华IPC610机箱，PCA-6006主板，生产单位：台湾研华科技公司，Pentium IV 2.4G Intel CPU；多通道D/A转换卡11可用台湾研华科技公司的PCL-727型D/A转换卡；显示器18(型号：151N生产单位：韩国三星公司)；多路压电驱动高压放大器12还可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX放大器，其研制单位为华南理工大学(在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍)。放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260V～+260V。

本发明控制程序基于C++编写，其中包括A/D转换数据采集卡9和D/A转换卡11的驱动及转换，信号的滑动平均数字滤波算法，实现友好的人机交互界面，在显示器18实时显示相关信息，提供了实时观测功能，控制的开启和关闭，控制策略参数的输入，数据保存等方便操作。本发明可以实现友好的人机交互界面，可以在显示器18实时显示A/D转换数据采集卡9采集的弯曲模态的信息，控制量经过D/A转换卡11的输出，控制算法的实现和控制参数的调整，以及控制策略的开启和关闭。

在振动控制试验时，用力锤7激励挠性梁3的振动，通过压电传感器2和加速度传感器6分别经过电荷放大器8后将检测的振动信息分别经过多通道A/D转换数据采集卡9输入工控计算机10，对检测信号滤波处理并运行控制策略后，经过多通道D/A转换卡11输出，经过压电驱动放大器12驱动压电驱动器1，经过开关阀驱动电路板13后分别驱动气动比例阀16和两位三通阀17，通过控制喷嘴4、5的喷气气流量，进行振动主动控制。根据上述的挠性结构振动控制的切换控制策略和方法，在大幅值振动控制采用喷气式驱动器，小幅值振动采用压电驱动器，克服了压电驱动器功率小的限制，实现了大幅值振动的快速衰减，能量的快速消耗；并利用压电片驱动器控制精确等要求，进行残余振动的控制。气动控制采用开关切换控制策略，即当振动幅值的绝对值大于某一设定的阈值时，启动气压伺服回路，进行大幅值的振动控制到较小幅值，切换到压电驱动器进行精确控制，最终抑制振动。

应用上述的模拟太空挠性结构的基于组合喷气式驱动器和压电智能挠性结构振动主动控制方法，包括如下步骤：

(1)开启计算机，参数初始化，包括控制算法参数的初始值设定、A/D数据采集和D/A输出控制卡相应的初始数据、控制地址和驱动方式的设定；这里的气动比例阀根据压电片传感器检测振动幅值信号进行PD(PD为Proportional Derivative的缩写，表示为经典的比例微分控制)比例调节控制；PD控制算法中的比例控制增益、微分控制增益；弯曲模态D/A输出数据初始值设定为0，保证初始状态压电驱动器无激励电压信号。

(2)开启电荷放大器8和压电驱动高压放大器12，采用激振力锤激振辨识法辨识得到的弯曲振动模态频率；用激振力锤7在挠性梁3的横向端部位置推出一定距离便激励了第一阶弯曲模态；这样，将弯曲模态传感器2压电电荷信号分别通过电荷放大器8放大后，通过采集卡9采集记录弯曲模态自由振动响应结果，将记录的数据导入到软件中，通过编写程序，将时域信号通过快速傅立叶变换(FFT)获得模态频率。

(3)利用辨识得到的振动频率信息，实现弯曲模态的控制策略；控制策略包括：对采集的信号进行经典的滑动平均滤波处理，控制采样时间为1ms，采用20个采样数据进行滑动平均，并采用控制算法计算；根据步骤(2)辨识得到的弯曲振动模态频率，通过人机交互界面输入到控制策略中，为主动控制设置好了相应的参数；

(4)用激振力锤按照步骤(2)的激振方法激励挠性梁弯曲模态的振动，通过弯曲模态的压电传感器将采集的弯曲转模态的信息经过电荷放大器后，通过A/D转换卡采集振动信息，在显示器通过两个窗口分别实时显示加速度和压电陶瓷片检测弯曲模态的振动信息，通过人机界面，开启控制策略，控制量经过多功能D/A转换和开关量输出控制卡输出到开关阀驱动放大电路板，驱动板驱动气动比例阀和两位三通阀，并根据振动在平衡点的正反面通过控制两位三通阀分别将高压气体输入到两个喷嘴来控制喷嘴的气体流量来控制推力，从而快速抑制挠性梁的大幅值振动；也可以同时将控制量经D/A转换卡的输出信号经过压电陶瓷电源放大后驱动弯曲模态驱动器，同时进行弯曲模态的振动控制；本实例中，气泵的气压通过气动三联件中的减压阀调整到最大气压为0.5MPa，并且选用的喷嘴的孔径为1.2mm，根据气体的压力流量计算公式可以计算出该喷嘴式喷气驱动器的最大功率大约可达到40瓦；而根据压电驱陶瓷电源的供电电压和电流可计算出本实例中的压电驱动器的驱动功率约为1.5瓦。

(5)开启施加控制策略后，通过显示器实时显示弯曲振动控制效果，并记录存储数据进行分析；

(6)重复步骤(4)、(5)，并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制策略的相应的参数进行试验，参数调整为步骤(1)中所述的控制算法参数，直到获得良好的控制效果。

按照步骤(2)的激励记录方法激励得到第一阶弯曲模态未控制自由衰减的响应时间历程图试验结果曲线分别如图4所示。图4是按照步骤(5)激励第一阶弯曲模态振动时采集记录压电片传感器2的信号；从未控制实验记录的时间历程可知，自由衰减需要很长时间，记录20s自由衰减时间振动还有一定的幅值，若振动完全消除需要35s以上时间，。

按照本发明的基于喷气式驱动器进行弯曲振动模态反馈控制方法，得到振动主动控制的试验结果如图5所示，在图5中，喷气式驱动器施加控制是在记录振动1s的时间后进行，从实验结果可知，大幅值的振动在0.5s的时间被快速地抑制到相当小的幅值；而单纯应用压电驱动器进行控制在同样的硬件条件下最快需要3s左右的时间。验证了提出方法的先进性，即“点式”喷气式驱动器的功率较大，可以快速抑制大幅值的振动。

本发明根据上述的挠性结构振动控制的切换控制策略和方法，也可以采用组合的控制方法，即：在大幅值振动时采用喷气式驱动器，将振动抑制到小幅值时切换采用压电驱动器，这样克服了压电驱动器功率小的限制，实现了大幅值振动的快速衰减，能量的快速消耗；并利用压电片驱动器进行精确控制，实现残余振动的控制。

本发明得到国家自然科学基金项目“带有柔性铰链和基坐浮动的大型挠性结构的建模及振动主动控制研究”(项目编号：60404020)，国家自然科学基金空天飞行器重大研究计划项目“航天器刚柔耦合结构复杂系统的智能自主控制研究”(项目编号：90505014)的资助。

Claims (3)

1、基于喷气式驱动器的抑制挠性结构振动的装置，该装置在挠性梁固定端横向20～25mm处，沿挠性梁纵向前后两面对称粘贴的多片压电陶瓷片，压电陶瓷片相互之间在挠性梁的纵向距离为20～100mm，姿态角度为0°，多片压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起组成弯曲模态压电驱动器；弯曲模态传感器为一批压电陶瓷片，贴在挠性梁的横向靠近固定端50～125mm处，位于挠性梁的纵向中线，姿态角度为0°；在挠性梁靠近自由端中部安装一只加速度传感器；弯曲模态传感器和加速度传感器分别与一台低频电荷放大器连接，低频电荷放大器通过多通道A/D转换数据采集卡与计算机连接，显示器接计算机；弯曲模态压电驱动器与压电驱动高压放大器连接，压电驱动高压放大器通过多通道D/A转换卡与计算机连接；其特征在于，在挠性梁横向中部的正反面分别安装一个作为喷气式驱动器的喷嘴；在气动回路上，两喷嘴分别通过气动喷嘴接头与一个两位三通阀相连接，两位三通阀与气动比例阀相连接，气动比例阀与气动三联件相连，气动三联件与气泵相连；在电路驱动上，两位三通阀和气动比例阀还分别与开关阀驱动放大电路板连接，开关阀驱动放大电路板与多通道D/A转换卡连接。

2、根据权利要求1所述的基于喷气式驱动器的抑制挠性结构振动的装置，其特征在于，所述的喷嘴为液柱流金属喷嘴，孔径为0.79mm、1.2mm、1.5mm或2.5mm。

3、应用权利要求1所述装置的基于喷气式驱动器的抑制挠性结构振动的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)开启计算机，参数初始化，包括控制算法参数的初始值设定、A/D数据采集和D/A输出控制卡相应的初始数据、控制地址和驱动方式的设定；

(2)开启电荷放大器和压电驱动高压放大器，采用激振力锤激振辨识法辨识得到的弯曲振动模态频率；

(3)利用辨识得到的振动频率信息，实现弯曲模态模态的控制策略；控制策略包括：对采集的信号进行经典的滑动平均滤波处理，控制采样时间为1ms，采用多个采样数据进行滑动平均，并采用控制算法计算；根据步骤(2)辨识得到的弯曲振动模态频率，通过人机交互界面输入到控制策略中，并为主动控制设置相应的参数；

(4)用激振力锤按照步骤(2)的激振方法激励挠性梁弯曲模态的振动，通过弯曲模态的压电传感器将采集的弯曲转模态的信息经过电荷放大器后，通过A/D转换卡采集振动信息，在显示器通过两个窗口分别实时显示加速度和压电陶瓷片检测弯曲模态的振动信息，通过人机界面，开启控制策略，控制量经过多功能D/A转换和开关量输出控制卡输出到开关阀驱动放大电路板，驱动板驱动气动比例阀和两位三通阀，控制喷嘴的气体流量来控制推力，从而抑制挠性梁的振动；也可以同时将控制量经D/A转换卡的输出信号经过压电陶瓷电源放大后驱动弯曲模态驱动器，同时进行弯曲模态的振动控制；

(5)开启施加控制策略后，通过显示器实时显示弯曲振动控制效果，并记录存储数据进行分析；

(6)重复步骤(4)、(5)，并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制策略的相应的参数进行试验，参数调整为步骤(1)中所述的控制算法参数，直到获得良好的控制效果。

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