CN101055219A - 模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验平台和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验平台和方法。本发明的试验平台包括一套机械夹持装置、一块振动柔板、一台信号发生器、一块高性能DSP板卡、一台示波器、一台计算机、一台显示器、激振器、多台电荷放大器、多台低通滤波器、多台压电功率放大器、压电片传感网络和压电片驱动网络。本发明以压电陶瓷元件作为传感器网络和驱动器网络的本体材料，以DSP测控单元作为信号检测、算法运行和输出控制信号的核心，以PC机作为试验的控制平台和观测界面，提供了一种基于模拟压电智能太空柔性结构振动主动控制研究的试验平台和试验方法。

Description

模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验平台和方法

技术领域

本发明涉及一种模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验平台和方法，特别针对一种基于DSP测控核心的压电智能材料柔板结构振动主动控制试验平台和方法。

背景技术

航天飞行器的太阳能帆板通常以大型悬臂梁结构形式存在于太空环境中，并具有低刚度、小阻尼、固有频率较低和低阶模态密集等特征。由于太空环境恶劣，宇宙风、粒子流的影响，以及航天器本身的机动等动作，极易引发航天器的太阳能帆板结构产生持续振动。如果不采取有效的抑振措施，其大幅度的振动响应将延续很长时间，不仅影响到柔性结构本身的工作性能，而且通过与航天器主体的耦合作用，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，这在实际的航天器运行中已有例证。因此，研究大型柔性航天结构的振动控制问题，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《新世纪的太空技术》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。

针对航天系统的性能要求和空间结构的振动特点，当前以智能材料结构概念实现振动主动控制，由于技术的高难度和重要的应用价值，获得了国内外相关领域科研人员的广泛重视和热点研究。但是尽管主动减振智能结构研究在不断深入，但在理论研究和工程实用方面还远未成熟，尚有诸多问题亟待探索和解决。对于大型航天结构，由于结构的复杂性和大变形非线性效应的存在，建立其精确的数学模型是不可能的，同时空间柔性结构在轨运行期间的物理特性变化和载荷特性渐变，不仅对控制器提出了鲁棒性要求，而且自适应调整和在线学习问题也必须予以妥善解决。在此情况下，近年来开始探索采用模态控制、极点配置、最优控制方法、鲁棒控制、自适应控制、智能控制和神经网络控制进行此类系统的控制器设计，并已在理论和实验方面取得了一些有意义的成果。但总体而言，这些方法仅获得了初步的实现，发展并不成熟，应用也各有其局限性，因此还有待于进一步的深入探索和研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验平台和方法，可以对压电柔板智能结构振动主动控制提供科学的理论分析和实验验证实现手段，并为探索理论方法的进一步实际工程应用提供技术实现支撑。

为达到上述目的，本发明的构思是：

结合主动减振智能结构研究现状和发展趋势，从柔性智能结构的构成分析，当前压电材料PZT/PVDF的研究应用可以认为是最具代表性的成果。压电材料用作传感器时，对温度变化敏感性低、高应变灵敏度和低噪声是其主要特点；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振动监测与控制的需要。针对不断深入研究基于压电智能结构内涵的太空柔性帆板结构振动主动控制问题，在试验结构模型的设计与测控系统开发的基础上构建合理有效的试验平台。

该平台以压电陶瓷元件作为传感器网络和驱动器网络植入于帆板结构表面，以DSP测控单元作为采集检测信号、控制算法实现与输出控制信号的核心，以PC机以及所开发的软件环境作为试验操作人员的观测平台。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验平台，包括一套机械夹持装置、一块智能压电模型结构柔板、一台信号发生器、一块DSP测控板卡、一台示波器、一台计算机，以及激振器、一组电荷放大器、一组低通滤波器、一组压电功率放大器、压电传感网络和压电驱动网络。其特征在于压电传感网络和压电驱动网络均以网络格局贴片方式分布在智能压电模型结构柔板表面，该柔板以悬臂梁姿态夹持在机械夹持装置上，信号发生器输出激励信号到激振器，通过激振器对智能压电模型柔板结构的激励作用使柔板产生相应的振动响应，压电传感网络检测到结构振动响应信号，经过电荷放大器和低通滤波器的调理，输出到以PCI接口连接到计算机的DSP测控板卡，其后依据所开发的DSP控制算法和上位机传递下来的控制策略运算产生控制信号，经由功率放大器驱动放大控制信号，输出到植入智能压电模型结构柔板的压电驱动网络，从而产生控制作用于受控结构，实现智能压电模型柔板结构振动响应的实时自适应抵消，以达到主动消除或降低结构振动响应的目的。试验平台在进行测控的同时，还可将传感信号、控制信号、控制参数和整体性能参数传递到上位机，实现实时显示和存储等功能。

上述的机械夹持装置为钢架结构，其特征在于稳定、安全、可调性好，与智能压电模型柔板结构结合成一个整体，可以将柔板本体的振动响应针对钢架结构、激振器、支持平台和其他设备的振动耦合，降低到可以忽略不计的程度；另外固定在钢架结构上的激振器位置可调，并且可以同时采用多个激振器对柔板结构施加振动激励，从而可以获得结构的多模态振动特性并进行多模态振动主动控制试验。

上述的模拟太空帆板结构为环氧树脂材料柔性板，其特征在于所述柔板结构表面粘贴多个压电传感器构建成为压电传感网络，粘贴多个压电驱动器构建成为压电驱动网络，压电传感网络和压电驱动网络的布置是在对柔板结构模态特性分析的基础上进行的，布置策略满足结构应变感测较明显，传感/驱动效果敏感，并尽量减少对柔板原有模态的影响，同时适用于多种控制策略的试验要求。

一种智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验方法，采用上述仪器设备和试验平台进行试验，其特征在于试验的操作步骤如下：

(1)采用模态分析方法对柔板结构进行振动特性分析，获得结构较低频范围的各阶固有振动频率，并采用激振器扫频方法修订各阶结构固有振动频率；

(2)根据控制算法编写程序下载到DSP测控板卡，并对上位机软件平台进行参数设置，编译调试成功后准备开始控制；

(3)参照步骤(1)获得的结构固有频率，启动激振源信号发生器，并设置激振信号的频率和幅值；

(4)调整激振器的位置，启动激振器，对智能压电模型结构柔板进行激振；

(5)开启电荷放大器、低通滤波器、示波器，获取与调理结构振动响应信号；

(6)开启连接压电驱动网络的压电功率放大器；

(7)根据设定的控制算法设置上位机操作平台控制命令，并启动控制；

(8)从示波器和上位机界面观测结构振动控制效果。

上述的步骤(4)中应注意以下两点：

①激振器传动杆作用位置靠近悬臂柔板的固定端，并且在柔板的中心线上；

②在启动激振器时，输出幅值从小开始逐渐缓慢增大，过快调整幅值有可能对柔板试验结构以及压电传感和驱动网络造成损害。

本发明与现有技术相比较具有如下突出实质性特点和显著优点：

(1)压电传感网络和压电驱动网络根据最佳控制效果目标进行网络优化布置，便于根据更改算法的需要重新选择配组传感网络和驱动网络，方便进行优化配置的实验。

(2)激振器X-Y-Z方向可调，便于模拟实际太阳能帆板遭受振动激扰位置的真实状况。

(3)考虑到系统耦合因素，采用稳定紧固方式将系统结合成一个可方便拆卸的整体，即使柔板结构产生较为激烈振动状况并与系统整体结构耦合，也能被限制在可容忍的范围内。

(4)基于DSP测控核心的高速测控系统，满足了多输入/多输出控制方式和受控结构系统模型的在线实时辨识要求，可以在保证控制跟踪能力的情况下，解决计算量和信息量较大的问题。

(5)针对试验平台硬件系统所开发的上位机测控软件环境，已经具备了硬件驱动、DMA通讯、波形显示、数据存储等诸多功能；试验过程中可方便地根据控制需要，通过少量参数设置既可设计完成控制方案。

(6)基于DSP测控核心的测控系统，虽然基于不同的控制算法需要开发相应的测控程序，但保证系统工作完整性的基本程序，如测控板卡驱动、AD转换、DA转换、DMA传输，以及信号滤波与数据分析功能，均已实现程序模块化，确保了试验平台软件环境的可靠性和可移植性。

附图说明

图1是本发明一个优选实施实例的试验装置结构示意图。

图2是图1示优选实例中压电传感网络和压电驱动网络分布示意图。

图3是图1示优选实例中钢架结构实验平台示意图。

图4是图1示优选实例试验装置整体实物照片图

图5是图1示优选实例中上位机程序流程图。

图6是图1示优选实例中下位机程序流程图。

图7是图1示优选实例中系统振动控制性能时间历程图。

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，本模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验平台，包括一个环氧树脂柔板①、一套压电驱动网络②、一套压电传感网络③、一台激振器④(型号：JZK-10生产单位：江苏联能电子有限公司)、一套机械夹持装置⑤、压电驱动功率放大器⑥(型号：APEX-PA95生产单位：上海大学自动化系)、电荷放大器⑦(型号：YE5852A生产单位：江苏联能电子有限公司)、低通滤波器⑧(型号：YE3760A生产单位：江苏联能电子有限公司)、示波器⑨、一块高性能DSP板卡⑩(型号：SEED-VC33ps生产单位：合众达电子公司)、一台计算机(11)、一台信号发生器(12)(型号：Angilent-A808生产单位：安捷伦仪器有限公司)。装置整体照片图参见图4。

本实例的模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验方法，采用上述的试验平台进行试验，试验的操作步骤如下：

(1)选用尺寸为1500mm×400mm×1.5mm(分别为长、宽、高)的环氧树脂板作为模拟柔性太空帆板模型结构①，该结构在固定段根部位置分别切除两个底、高尺寸分别约为60mm*160mm的三角形，然后将结构根部固定在试验台角铁支架上。

(2)将激振器④固定在机械夹持装置⑤上，保证传动杆自由端的振动位置在距离柔板①根部15cm-30cm、柔板①中心线处，然后用螺丝将该自由端紧固到柔板①。

(3)采用有限元分析软件ANSYS对柔板①进行建模分析，获得柔板①的较低频范围各阶固有频率、各阶模态振形和最大应变受力区域等结构振动模态特性，并采用信号发生器⑨扫频的方法检验并调整上述特性数据。

(4)根据检测/抑制最大结构应变的要求，采用AB胶水将压电传感网络③和压电驱动网络②对位粘贴在柔板结构①的双面表面。

(5)再次采用信号发生器⑨扫频的方法检验并调整柔板①的各阶振动特性数据。

(6)根据上述步骤(5)获得的结构振动响应特性数据，按照检测/抑制某几个较低阶模态最大应变的要求，选择传感网络③和驱动网络②的一部分构成优化的传感网络③和驱动网络②。

(7)在原有上位机/下位机程序的基础上，选用自适应滤波最小均方控制算法，由DSP测控板卡⑩和计算机(11)对采用的控制算法进行参数设置。

(8)启动激振器④，开启电荷放大器⑦、低通滤波器⑧、示波器⑨、功率放大器⑥，结构模型被激励并处于待控状态。

(9)依据自适应滤波最小均方控制算法实施计算机(11)操作平台发出控制命令。

(10)从示波器⑨和计算机(11)界面观测结构振动响应控制效果，并基于软件环境平台保存试验数据。

(11)重复步骤(6)、(7)、(8)、(9)、(10)，反复调整控制算法以获得良好的控制效果。

步骤(1)中，本优选实例的模拟柔性太空帆板模型结构①选用环氧树脂板，如图2中①所示，这种聚合物具有较好的强度，静态时能够保持较好的面形特征，粘贴压电材料后长期静止悬挂不易发生形变，在施加振动激励后能产生较好的振动形态，接近实际太阳能帆板在空天环境下的振动特性。

本优选实例中的压电传感器网络③和压电驱动器网络②均采用AB胶水包裹粘贴，使得压电材料既有很好的感知/驱动能力，又避免了触碰高压控制信号的危险，如图2中②、③所示。

本优选实例中的试验台机械夹持装置⑤具有X-Y-Z三个方向的自由度，X方向可变位移±2cm，Y方向可变位移±10cm，Z方向可变位移±3cm，装置底部采用尺寸为60cm*60cm*1.8cm的钢结构平板，各个部件采用紧固螺丝连接。如图3中a、b所示。

本优选实例中的步骤(7)，DSP测控板卡⑩程序的流程图如图5所示，其中板卡驱动、AD/DA转换、DMA传输、信号滤波与数据分析程序均基于C和ASM语言模块化编制，模块接口标准，调用方便，可靠性与可移植性强。控制策略采用自适应滤波最小均方控制算法，依控制器结构方式的不同又分为两种控制方式，即基于有限冲激响应滤波控制器的最小均方算法，以及基于无限冲激响应滤波控制器的最小均方算法，均以模块函数形式写入DSP测控板卡⑩中；计算机(11)的程序流程图如图6中a，b，c，d所示，提供了用户观察、设置命令、数据保存、数据分析和比较等功能。如此两种控制算法均可在该振动主动控制试验平台上顺利运行，并获得控制速度、衰减幅度、跟随性、复现性、适用条件等控制性能指标的观测与比较；系统的整体振动控制衰减历程参见图7。

图6中a是计算机(11)系统总体流程图。

图6中b是计算机(11)中硬件操作线程流程图。

图6中c是计算机(11)关闭控制功能的流程图。

图6中d是计算机(11)退出程序的流程图。

本优选实例中的步骤(10)保存的数据格式为.txt文件格式，是一个可以载入到多种分析软件中进行数据分析的通用格式，为进一步的数据分析在功能上提供了方便性和快捷性。本优选实例中可采用Matlab分析软件对所保存的实验数据进行了离线分析，显示了理想的数据特性和控制功能。

Claims (5)

1.一种模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验平台，包括一个智能压电模型结构柔板(1)、压电驱动网络(2)、压电传感网络(3)、一台激振器(4)、一套机械夹持装置(5)、一组压电驱动功率放大器(6)、一组电荷放大器(7)、一组低通滤波器(8)、一台示波器(9)、一块DSP测控板卡(10)、一台计算机(11)、一台信号发生器(12)，其特征在于：所述的机械夹持装置(5)为稳固钢架夹持结构，将激振器(4)连接至智能压电模型结构柔板(1)，所述的压电传感网络(3)和压电驱动网络(2)均以网络格局贴片方式分布在智能压电模型结构(1)的两侧表面上，所述的智能压电模型结构柔板(1)以悬臂梁姿态夹持在机械夹持装置(5)上，所述的信号发生器(12)输出试验所需要的激励信号到激振器(4)，激励智能压电模型结构柔板(1)产生相应的振动响应，所述的压电传感网络(3)检测到智能压电模型结构柔板振动响应信号，经过电荷放大器(7)和低通滤波器(8)的调理，输入到以PCI接口连接计算机(11)的DSP测控板卡(10)中，依据设定在DSP测控板卡(10)中的控制算法和上位机发出的控制策略命令产生控制信号，经由压电驱动功率放大器(6)驱动控制信号输出到压电驱动网络(2)，产生控制作用施加于受控的智能压电模型结构柔板(1)，同时将传感信号、控制信号、控制参数和整体性能参数传递到计算机(11)中，进行实时显示、分析和存储。

2.根据权利要求1所述的模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验平台，其特征在于所述的机械夹持装置(5)为钢架结构与激振器(4)结合成一个整体，从而获得激振器(4)沿X-Y-Z三个方向进行调整定位的自由度，使得激振器(4)的传动杆作用位置方便可调，并且通过增减激振器(4)数目，适应多模态结构振动主动控制试验的需要。

3.根据权利要求1所述的模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验平台，其特征在于所述的压电传感驱动网络(2)和压电传感网络(3)的布置是基于智能压电模型结构柔板(1)模态分析的基础上，在智能压电模型结构柔板(1)表面双面上粘贴压电传感网络(3)和压电驱动网络(2)，达到结构应变感测明显和传感/驱动效果敏感，为尽量减少对智能压电模型结构柔板(1)固有模态的影响，以及适用多种控制策略的控制要求，在分布植入压电传感网络(3)和压电驱动网络(2)时，采用牢固的AB胶水粘贴，使得压电材料与智能电压模型结构柔板(1)牢固粘结为一个整体。

4.根据权利要求1所述的模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验平台，其特征在于所述的DSP测控板卡(10)驱动AD转换功能、DA转换功能、DMA传输，以及信号滤波与数据分析功能，实现程序模块化，确保实验平台软件环境的可靠性和可移植性。

5.一种模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制试验方法，采用根据权利要求1所述的模拟智能柔性太空帆板结构振动主动控制实验平台进行试验，其特征在于试验的操作步骤如下：

(1)采用模态分析方法对柔板结构进行振动特性分析，获得结构较低频范围的各阶固有振动频率，并采用激振器扫频方法修订各阶结构固有振动频率；

(2)根据控制算法编写程序下载到DSP测控板卡，并对上位机软件平台进行参数设置，编译调试成功后准备开始控制；

(3)参照步骤(1)获得的结构固有频率，启动激振源信号发生器，并设置激振信号的频率和幅值；

(4)调整激振器的位置，启动激振器，对智能压电模型结构柔板进行激振；

(5)开启电荷放大器、低通滤波器、示波器，获取与调理结构振动响应信号；

(6)开启连接压电驱动网络的压电功率放大器；

(7)根据设定的控制算法设置上位机操作平台控制命令，并启动控制；

(8)从示波器和上位机界面观测结构振动控制效果。

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