CN101051217A - 基于形态感知的太空帆板结构低模态振动主动控制方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于形态感知的太空柔性帆板结构低模态振动控制方法和装置。本方法是利用光纤光栅传感网络对帆板结构的振动形态进行实时感知，并根据感知的结构振动信息产生控制策略，通过控制驱动单元产生控制动作以驱动形状记忆合金弹簧，利用弹簧的形状记忆效应和超弹性效应，实现帆板结构振动响应的主动抵消和振动能量的消耗，从而实现消除或降低结构振动响应的目的。其装置包括一个分布植入光纤光栅传感器网络②和SMA弹簧组⑧的柔性板状结构①、一台光纤光栅网络信号分析仪③、一台带数据发送功能的计算机④、一台显示器⑤、一个带数据接收功能的SMA弹簧组控制驱动模块⑥、一组大功率低压开关电源⑦。本发明不受电磁干扰影响，提高了检测稳定性，具有较高的检测精确度和振动形态重建的优越性。

Description

基于形态感知的太空帆板结构低模态振动主动控制方法与装置

技术领域

本发明涉及一种太空帆板结构低模态振动主动控制方法和装置，特别涉及一种基于结构振动形态信息感知的太空帆板结构低模态振动主动控制方法与装置。

背景技术

由于太阳能帆板、大型卫星天线等空间柔性结构，需要在长期运行期间保持很高的运行精度，通常对振动环境有着极为严格的要求，而这类结构一般具有低刚度小阻尼，固有频率较低和模态密集的特征，同时太空环境又无外阻，因此极易受到扰动影响而发生振动，且使得绝大数常规振动监测与控制方法难以达到技术要求。如航天器在太空运行时，一旦受到机动、折叠结构展开等因素激励，或受到宇宙风、微粒子流等外扰作用产生振动，如果不采取有效的振动监测与抑振措施，其大幅度的振动要延续很长时间，不仅影响到柔性结构本身的工作性能，而且通过与主体的耦合作用，进而可产生影响航天器的姿态稳定和定向精度问题；长期和强烈的振动还将造成结构疲劳破坏，导致系统性能下降甚至失效，直接威胁航天结构的安全。因此研究大型柔性航天结构的振动监测与控制问题，历来是航空航天技术发展中的一个重要领域和难点课题，美国国家研究理事会在《新世纪太空技术》报告中，就将“在失重条件下使各种柔性结构、天线和望远镜保持稳定”列为影响太空探索的六大关键技术之一。

现有技术中，研究用于太空帆板结构振动主动控制的驱动材料中，压电材料PZT/PVDF的研究应用可以认为是最具代表性的成果，压电材料由于存在正逆压电效应，用作驱动器时，具有低功耗、电操作、频带宽和力由自身内部产生的特点，因此非常适合航空航天结构监测与控制的需要，但压电材料的不足是作为驱动器时输出力矩不够大，因此其对高频振动进行控制可以达到较好的效果，而对于结构低模态大幅度的振动响应，则控制效果却不甚明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于结构振动形态信息感知的太空柔性帆板结构低模态振动主动控制方法与装置，本发明不受电磁干扰影响，提高了检测稳定性，具有较高的检测精确度和振动形态重建优越性。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于振动形态感知的太空帆板结构低模态振动主动控制方法，其特征是利用分布植入式光纤光栅传感网络对帆板结构的振动形态进行实时感知，并根据感知获得的结构振动信息产生控制策略，通过控制驱动单元产生控制动作以驱动形状记忆合金弹簧组，利用SMA弹簧的形状记忆效应和超弹性效应，实现帆板结构振动响应的抵消和振动能量的消耗，从而实现消除或降低结构振动响应的目的。

上述的控制策略是在结构振动形态感知的基础上形成的：分布植入光纤光栅传感网络感知太空帆板结构表面离散测量点的应变变化，此数据由光纤光栅网络信号分析仪通过软件实时提取并转化为曲率信息，此后基于开发的测控软件利用曲率信息空间曲面拟合算法，拟合计算出曲面上各点位置坐标，一方面在计算机屏幕上三维重建显示帆板结构振动形态，另一方面产生振动主动控制策略，并通过计算机接口发送给SMA(形状记忆合金)弹簧驱动模块，此模块根据接收到的控制策略和命令，生成控制信号驱动SMA弹簧组，进而产生控制力，以达到减小或消除结构振动水平的目的。

一种基于结构低模态振动形态感知的太空帆板振动主动控制方法，采用上述装置进行检测与控制，至少需要以下几个步骤：

1.帆板结构振动形态的实时感知

本发明通过分布式光纤光栅传感网络对结构振动状况进行检测，这种方式通过感知帆板表面应力的变化，由所开发的测控软件获得光栅传感器反馈的波长信息，然后将其转化为曲率值，并通过插值使其连续化，之后利用一定的平面曲线拟合算法拟合帆板上各条曲线，并通过合成获得空间曲面上各点的位置信息，利用软件不断调用检测过程，以实现太空柔性帆板结构振动形态的实时感知。

2.控制策略的生成

首先确定形状记忆合金SMA弹簧组所布置的位置，然后在测控软件平台环境下根据此位置搜索出其对应的曲率，根据曲率Q生成相应的控制信息。具体过程为：设定曲率阈值为m，如果Q＞m并且正在减小，则布置在此点反面的记忆合金弹簧通电；反之，如果Q＜-m并且正在增加，则布置在此点正面的记忆合金弹簧动作。通过试验设定每次通电的最佳时间，利用合金弹簧的形状记忆特性和超弹性效应作为结构振动响应抵消器和耗能器，实现主动抑制帆板结构的低模态大幅度振动响应。

3.驱动控制模块

驱动控制模块主要是利用较为成熟的单片机控制技术，实现控制策略的接收和处理，主要包括基于C51系列单片机的测控单元、串口通讯单元、继电器驱动单元以及电路保护单元。控制策略通过串口接受，然后利用程序对控制策略进行解析，根据解析结果实现控制模块上继电器的状态控制，从而实现控制信号的输出。

4.大功率低压电源驱动SMA弹簧组产生控制动作

要产生足够强的驱动能力，SMA弹簧必须加载足够大的驱动电流，一般为3-5A，考虑到SMA弹簧阻值较小，因此需选择低压大功率电源作为控制系统能量供给模块，并以驱动控制模块的继电器为开关，通过开关的状态决定SMA弹簧是否动作，从而产生控制动作。

一种上述的基于振动形态感知的太空帆板结构低模态振动主动控制方法所采用的装置，包括一台计算机和一台显示器，其特征在于有一块悬臂式固定安装的太空柔性帆板结构的表面上植入离散光纤光栅传感网络，并固定一组SMA弹簧组；所述的光纤光栅传感网络经一个光纤光栅网络信号分析仪连接所述的计算机；所述的计算机的一路输出连接到所述的显示器，而另一路输出连接到一个驱动控制模块；所述的驱动控制模块控制一个低压大功率开关电源接通所述的SMA弹簧组。

本发明由于采用了以上方法和装置，使之与现有技术相比，具有以下明显的显著优点和突出实质性特点：

1.由于采用了分布式光纤光栅网络，传感器易于与基体集成，不受电磁干扰影响，耐腐蚀，并且采用植入式传感器布置方式，大大提高了结构振动信息检测的稳定性。

2.由于分布式光纤光栅传感网络直接获取帆板结构表面应变信息，再通过一定的算法获得帆板结构振动形态信息，不仅具有很高的检测精确度和结构振动形态重建优越性，而且离散分布的信息检测点使检测数据量大大较小，从而降低了传感网络的复杂度，使大量的数据处理过程集中在软件的算法中，增加了系统的可维护性。

3.采用SMA弹簧组作为结构振动响应的主动控制驱动器，可以产生较大的驱动力以满足控制要求。通过对帆板结构低模态振动特性进行分析，合理确定SMA弹簧组的最佳布局方案，同时施以合理的控制策略，可以产生较好的控制效果。

附图说明

图1为本发明的太空帆板结构低模态振动主动控制装置结构示意图。

图2为系统软件流程图。

图3为驱动控制模块程序流程图。

图4为SMA弹簧组实物照片图。

图5为系统结构实物照片图。

图6为结构振动响应控制效果图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施实例结合附图说明如下：

参见图1，本太空柔性帆板结构的低模态振动主动控制装置，由太空柔性帆板结构①(已植入离散光纤光栅传感网络②、已固定SMA弹簧组⑧)，光纤光栅网络信号分析仪③，一台计算机④，一台显示器⑤，驱动控制模块⑥和大功率低压开关电源⑦组成，其系统组成实物图见图5。选用环氧树脂板作为模拟太空柔性帆板结构模型，植入式离散光栅传感网络接入到光纤光栅网络信号分析仪相应的接口上，然后由所开发的测控软件进行检测信息的提取和处理。软件的处理流程如图2所示，具体过程如下：

1.系统初始化，获取各种资源的操作权，为下一步的数据采集做好准备。

2.调用光纤光栅网络信号分析仪提供的API函数，提取仪器所检测到的光栅传感器波长数据。

3.依据光纤光栅的基本原理和光栅的植入方式，将波长数据转化为相应曲率数据，并根据一定的插值算法进行曲率插值使其连续化。

4.拟合帆板上各条曲线，并通过合成得到帆板结构表面大量点集的位置坐标。

其中曲线拟合的过程是：

设第n、n+1个点的曲率分别为：ρ_n，ρ_n+1；斜率分别为：k_n，k_n+1；坐标为：(x_n，y_n)，(x_n+1，y_n+1)；两点斜率对x轴的夹角分别为：θ_n，θ_n+1；Δθ_n为两点切向角的变化值；Δs_n为两点之间的弧长；如图2所示，存在以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_n=\mathrm{arctg}\left(k_n\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{n+1}=\mathrm{arctg}\left(k_{n+1}\right)\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_n={\mathrm{\θ}}_{n+1}-{\mathrm{\θ}}_n\\ {\mathrm{\ρ}}_n=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_n}{{\mathrm{\Δs}}_n}\end{array}\right.$

由上式得：

${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{\mathrm{arctg}\left(k_{n+1}\right)-\mathrm{arctg}\left(k_n\right)}{\mathrm{\Δ}{s}_n}$

所以：k_n+1＝tg[ρ_n·Δs_n+arctg(k_n)]

即只要给定边界条件，就可以递推出各点的斜率，并在此基础上递推出各点坐标：

$\mathrm{\Δx}=\frac{{\mathrm{\Δs}}_n}{\sqrt{1+{k_n}^2}}$

$\mathrm{\Δy}=k_n\·\mathrm{\Δx}=\frac{k_n\mathrm{\Δ}{s}_n}{\sqrt{1+{k_n}^2}}$

由此可得：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{n+1}=x_n+\mathrm{\Δx}=x_n+\frac{{\mathrm{\Δs}}_n}{\sqrt{1+{k_n}^2}}\\ y_{n+1}=y_n+\mathrm{\Δy}=y_n+\frac{k_n\·{\mathrm{\Δs}}_n}{\sqrt{1+{k_n}^2}}\end{array}\right.$

根据上式可以递推平面曲线上各点的坐标值。

5.将拟合结果在计算机上显示，利用OpenGL技术重建帆板结构的三维实时振动形态。

6.利用拟合结果生成判断准则和控制策略，并将控制策略和命令发送给控制模块。

7.由控制模块驱动SMA弹簧组动作，实现结构振动响应的抵消和振动能量的消耗。

8.再次采集数据，如此循环实现实时连续动态控制。

上述第6步将控制策略发送给控制模块后，控制模块将解析这些信息从而产生控制动作。驱动控制模块是控制动作的生成机构，起着重要的作用，其软件程序的流程图见图3所示。

控制的执行单元是SMA弹簧组，其实物图见图4，结构表面的正反两面布置。

在上述装置正确连接和软件系统正确运行的情况下，对柔性模拟太空帆板结构的自由振动响应进行了控制实验，取得了良好的控制效果，实验结果见图6。

Claims (4)

1.一种基于振动形态感知的太空帆板结构低模态振动主动控制方法，其特征是利用分布植入式光纤光栅传感网络对帆板结构的振动形态进行实时感知，并根据感知获得的结构振动信息产生控制策略，通过控制驱动单元产生控制动作以驱动形状记忆合金弹簧组，利用SMA弹簧的形状记忆效应和超弹性效应，实现帆板结构振动响应的抵消和振动能量的消耗，从而实现消除或降低结构振动响应的目的。

2.根据权利要求1所述的基于振动形态感知的太空柔性帆板结构低模态振动主动控制方法，其特征在于所述的控制策略是在结构振动形态感知的基础上形成的：植入的光纤光栅传感网络感知太空帆板结构表面离散测量点的应变变化，此数据通过光纤光栅网络信号分析仪，并基于所开发的测控软件实时提取并转化为结构形变曲率信息，此后软件平台基于曲率信息的空间曲面拟合算法，拟合计算出曲面上各点位置坐标，一方面在计算机屏幕上三维重建显示帆板振动形态，另一方面产生振动主动控制策略和命令，并通过计算机接口发送给SMA弹簧组驱动控制模块，驱动SMA弹簧组动作，从而产生控制力施加于受控结构，以达到减小或消除帆板结构振动响应的目的。

3.根据权利要求1或2所述的基于振动形态感知的太空帆板结构低模态振动主动控制方法，其特征在于使用大功率低压开关电源(7)驱动SMA弹簧组(8)产生控制动作：选择低压大功率开关电源(7)作为控制系统能量供给模块，并以控制驱动模块(6)的继电器为开关，通过开关的状态决定SMA弹簧(8)是否动作，从而产生控制动作施加于受控结构。

4.一种根据权利要求1所述的基于振动形态感知的太空帆板结构低模态振动主动控制方法所采用的装置，包括一台计算机(4)和一台显示器(5)，其特征在于有一块悬臂式固定安装的太空柔性帆板结构(1)的表面上植入离散光纤光栅传感网络(2)，并固定一组SMA弹簧组(8)；所述的光纤光栅传感网络(2)经一个光纤光栅网络信号分析仪(3)连接所述的计算机(4)；所述的计算机(4)的一路输出连接到所述的显示器(5)，而另一路输出连接到一个驱动控制模块(6)；所述的驱动控制模块(6)控制一个低压大功率开关电源(7)接通所述的SMA弹簧组(8)。

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