CN101249897A - 太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法。该装置在挠性板前后两面对称粘贴的多片弯曲模态压电驱动器，弯曲模态传感器在挠性板的横向靠近固定端20～25mm处，位于挠性板的纵向中线，在挠性板上双面反对称粘贴多片压电陶瓷片组成扭转模态驱动器，双面反对称粘贴多片压电陶瓷片组成的扭转模态传感器。该方法根据压电传感器感知的弯曲和扭转模态信息，运行主动振动控制策略后，通过压电驱动电压放大器分别驱动压电驱动器控制弯曲和扭转多模态的振动，从而实现振动主动抑制的目的。本发明利用压电传感片和驱动片的优化配置，实现了对挠性悬臂板的弯曲模态和扭转模态在检测和驱动控制上的解耦。

Description

太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法

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帆板结构的弯曲和扭转振动多模态主动控制装置和方法，具体地说是提供一种针对模拟挠性太空帆板悬臂挠性板结构，应用基于压电传感器和驱动器优化配置实现多弯曲和多扭转模态在检测和控制上解耦的多模态振动主动控制装置和方法。

背景技术

随着航天技术的飞速发展，对空间结构系统的性能提出了新的要求。大型化、低刚度与柔性化是航天器结构的一个重要发展趋势。大型结构可以增加空间结构的功能，大型柔性附件的使用一方面增加了航天器设计和制造的灵活性，降低了发射成本，如大型太阳能电池阵可为空间结构提供更加充足的能源。但这同时也给结构的设计、制造和使用带来了一系列新的问题。大型模块化的空间站，太阳能电池板，大型卫星天线，光学系统及其支承体结构，空间机械臂等，需要在相当长的运行时间内保证高的运行精度。可是，这类大型柔性结构的振动问题越来越突出，大型柔性结构的刚度低，模态频率高阶且低频密集，模态阻尼小，太空环境又无外阻，如不采取措施对其振动进行有效抑制，在太空运行时，一旦受到某种扰动的作用，其大幅度的振动要延续很长时间。这不仅会通过与主体的耦合影响航天器姿态的稳定和定向精度等问题，如持续的振动可妨碍太阳帆板面跟踪太阳，卫星天线和光学仪器的指向精度，以及空间机械手的定位精度等；还将使结构产生过早的疲劳破坏，影响结构的使用寿命，或导致结构中仪器的损坏，甚至使航天器失效，这在实际的航天器中已有例证。因此，为了提高大型挠性空间结构的工作性能和精度，必须对挠性结构进行“在轨”振动控制。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。美国国家研究理事会在《新世纪的太空技术》报告中，就将“在失重条件下能使各种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。挠性结构的控制问题由来已久，却仍然具有巨大的挑战性。尤其是需要精确地控制其姿态和指向。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。

传统的结构是一种被动结构，采用被动振动控制(PVC)，一旦设计、制造完成后，其性能不易改变，不能适应不断发展的空间结构的要求，因此，人们寄希望于新颖的主动振动控制(AVC)技术，技术的高难度与重要的应用价值吸引了各相关领域的众多研究人员，形成在振动主动控制研究领域中最为活跃的一个侧面，从而有力地推动了智能结构的产生和发展。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。采用智能材料和智能结构技术对空间挠性结构进行主动振动控制，利用智能材料作为敏感器和致动器提高结构的阻尼，吸收和消耗系统的能量，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。

大型空间柔性结构的振动主动控制中的一个重要问题传感器和驱动器的优化配置问题，包括确定控制律和确定传感器与驱动器的数目和位置优化问题解决，以最少的数目、最佳的位置实现控制目的。局部闭环控制(低权控制)就是利用结构自身的驱动器和传感器同位配置实现反馈控制，同位控制能保证受控弹性体不发生观测溢出和控制溢出。全局控制(高权控制)的目的在于抑制结构特定点的振动响应，这种控制通常是传感器和驱动器非同位(异位)配置的控制形式，需要精确的输入输出系统模型，主要存在的问题是如何保证系统的全局稳定性和提高鲁棒性。

采用智能材料和智能结构技术对空间挠性结构进行主动振动控制，利用智能材料作为敏感器和致动器提高结构的阻尼，吸收和消耗系统的能量，达到振动抑制的目的。智能结构的优化配置确保其对挠性结构具有较好的能控性和能观性，对挠性结构进行建模和模型降阶以及研究智能控制理论及方法，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。技术的高难度与重要的应用价值吸引了各相关领域的众多研究人员，但是现有技术中，研究主要集中在智能材料及其振动控制的简单模型研究和试验研究，对基于压电智能结构的一维梁的优化配置和主动振动控制算法研究的很多，控制的是梁弯曲振动模态。但对于大型挠性悬臂板结构的振动控制，理论分析和工程实际应用还远远没有成熟，还有诸多问题需要解决。针对大型挠性太空帆板结构的振动控制方面，现有技术尤其存在以下不足：

(1)选用板的几何尺寸较小，模态频率较高，一般在几十赫兹以上，比太空阳帆板的模态频率高得的很多，不能用它来模拟太阳帆板的控制研究，并且，对大型挠性帆板结构的快速振动控制没有很好地解决；

(2)太空帆板基本上为悬臂外伸板结构，扰动激励的振动包括弯曲和扭转模态的振动，现有技术主要针对弯曲模态振动控制，但基于压电传感器和驱动器的优化配置实现弯曲和扭转模态的检测和控制上的解耦的问题没有很好地解决，容易带来观测和控制“溢出”问题；为了克服“溢出”问题，需要根据弯曲和扭转前几阶模态频率来设计模拟或数字带通滤波器，通过滤模态的方法实现弯曲和扭转振动的解耦，这样在应用中会带来相位滞后等问题，并且增加了系统的复杂性；

(3)在实际系统中，使用压电陶瓷片实现振动控制同时存在数目和位置优化问题。该类结构的传感器和驱动器优化配置问题：即传感器与驱动器的最优数量选择、最佳尺寸和位置优化配置问题并没有很好的解决。采用传感器和驱动器同位的问题是容易造成虚假的抑制现象，即传感器的输出被抑制而振动未被抑制的情况，这是由于同位配置的应力集中导致的局部刚化的局部控制问题。异位配置由于不同模态的相位差不同等因素又会引起系统控制的稳定性问题；

(4)考虑航天器发生重量成本和体积的限制，所以要求压电陶瓷电源要求小型化，小型化的压电陶瓷电源的技术实现没有很好地解决。

发明内容

本发明的目的在于客服现有技术的不足，提供一种挠性悬臂板的弯曲和扭转模态在检测和驱动控制上解耦的多模态振动主动控制挠性板装置。

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板结构，其低阶模态的振动包括多弯曲模态和多扭转模态，采用智能结构分布式压电传感器和驱动器，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。以压电陶瓷元件作为传感器和驱动器材料，以工业控制计算机作为控制平台，通过软件编程实现人机交互界面进行信号实时显示、控制算法运行和输出控制。为了很好地对大型挠性板结构的弯曲和扭转模态进行有效的分析和快速抑制，利用多路压电传感器和驱动器的优化配置，实现了对挠性悬臂板的多弯曲模态和多扭转模态在检测和驱动控制上的解耦。根据压电传感器感知的弯曲和扭转模态信息，运行主动振动控制策略，通过压电陶瓷电源放大器分别驱动压电驱动器控制弯曲和扭转模态的振动，从而实现振动主动抑制的目的。本发明提供了一种模拟太空挠性板结构弯曲和扭转振动主动控制研究的试验方法和试验装置。

根据上面的发明构思，本发明采用的技术方案和方法如下：

挠性太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置，包括挠性板、弯曲模态压电驱动器、弯曲模态传感器、扭转模态驱动器、扭转模态传感器、低频电荷放大器，多通道A/D转换数据采集卡、计算机、多通道D/A转换卡，多路压电驱动高压放大器、任意函数信号发生器和显示器；挠性板通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，在挠性板固定端横向20～25mm处前后两面对称粘贴的多片弯曲模态压电驱动器，多片弯曲模态压电驱动器之间在挠性板的纵向距离为20～160mm，姿态角度为0°；弯曲模态传感器在挠性板的横向靠近固定端20～25mm处，位于挠性板的纵向中线，姿态角度为0°；在挠性板上双面反对称粘贴多片压电陶瓷片组成扭转模态驱动器，扭转模态驱动器的压电陶瓷片之间在横向距离为35～100mm；双面反对称粘贴多片压电陶瓷片组成的扭转模态传感器，扭转模态传感器的压电陶瓷片姿态角度为45°，扭转模态驱动器靠近挠性悬臂板的自由端，扭转模态驱动器和扭转模态传感器之间距离的范围为80～200mm，弯曲模态传感器和扭转模态传感器分别与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信号连接，计算机接显示器；多片弯曲模态压电驱动器和多片压电陶瓷片组成扭转模态驱动器分别与多路压电驱动高压放大器连接，弯曲模态压电驱动器中的所有压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起组成一路弯曲驱动器与连接，扭转模态驱动器是双面极性相同并联连接在一起组成一路扭转模态驱动器与连接，多路压电驱动高压放大器通过多通道D/A转换卡与计算机信号连接；多路压电驱动高压放大器还与任意函数信号发生器信号连接。

所述反对称粘贴是指正面的压电陶瓷片姿态角度为45°，反面压电陶瓷片的姿态角与正面垂直，都位于挠性板3的纵向中间位置。

所述弯曲模态压电驱动器1的压电陶瓷片优选共八片；扭转模态压电驱动器4和扭转模态传感器5分别优选六片压电陶瓷片，每面三片。

所述压电驱动电压放大器由直流+12V提供电源的直流电源模块之一和直流电源模块之二分别与可调电位计之一和可调电位计之二连接，直流电源模块之一和直流电源模块之二还分别与放大器集成电路芯片连接，放大器集成电路芯片分别接输入端和输出端；放大器集成电路芯片通过电阻之一接地；放大器集成电路芯片还通过电阻之二与输出端连接。

应用上述装置的挠性太空帆板弯曲和扭转模态振动主动控制方法，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；

(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或采用函数信号发生器产生扫描频率正弦信号经过压电陶瓷电源激励弯曲模态驱动器或扭转模态驱动器，激励弯曲和扭转模态的振动，辨识得到的弯曲和扭转振动模态频率；

(3)利用辨识得到的振动频率信息，实现弯曲模态和扭转模态的控制策略；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，采用多个个采样数据进行滑动平均，并采用复合PPF&PD非线性控制算法计算；根据步骤(2)辨识得到的弯曲和扭转振动模态频率，通过人机交互界面输入到PPF&PD非线性控制策略中，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板弯曲和扭转模态的振动，通过弯曲模态的压电传感器和扭转模态传感器分别将采集的弯曲和扭转模态大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弯曲和扭转模态的振动信息，通过人机界面，开启控制策略，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和扭转模态驱动器，分别同时进行弯曲和扭转模态的振动控制；

(5)开启施加控制策略后，通过显示器实时显示弯曲和扭转振动控制效果，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PPF&PD控制算法参数，直到获得良好的控制效果。

所述步骤(5)记录存储数据的格式为.dat文件格式，便于分析和处理。

本发明与现有技术比较具有如下优点和有益效果：

(1)本发明选用的试验装置的挠性悬臂板尺寸较大，用激振力锤激励也接近实际情况，可模拟太空帆板受到某种扰动引起的弯曲和扭转振动控制，如航天器的调姿引起的振动等，这里尤其是同时体现了多扭转振动模态的检测和控制。并且，仅采用数量不多的压电陶瓷片实现振动一种，增加重量对本体结构影响不大。

(2)本发明的挠性太空帆板装置通过压电传感器和驱动器的优化配置实现弯曲和扭转振动模态在检测和驱动控制上的解耦，分别进行弯曲和扭转模态的控制。

(3)在压电传感片和驱动片优化配置时，利用多片平均效应，补偿了压电陶瓷片参数特性的差异，粘贴位置的误差以及粘贴胶厚度差异等因素的影响，并在此基础上通过组合抵消，实现了弯曲和扭转模态在检测和驱动控制上的解耦，很好地解决了观测和控制“溢出”问题，并增加了驱动能力。压电传感片和驱动片之间的一定距离，按本装置中的配置尺寸进行粘贴，即保证了传感器和驱动器信号同位，由克服了由于异位配置带来的稳定性问题。

(4)在压电驱动器设计了两种小型化的压电陶瓷电源，只要提供+12V直流电源供电即可，这样使得整个多路压电陶瓷电源无论在重量和体积上都可以做得很小，满足航天发射重量成本和体积的限制要求，并不需要交流电的提供。

(5)基于工业控制计算机和采集控制卡进行多通道的辨识和控制，软件编程实现实时显示界面，操作方便。主动振动控制的试验研究结果表明，本发明的方法很好地实现了弯曲和扭转振动模态的解耦，并且快速实现振动抑制。

附图说明

图1是本发明的模拟挠性太空帆板弯曲和扭转模态振动主动控制装置结构示意图。

图2是图1示实例中悬臂板的压电传感器和驱动器优化配置分布示意图。

图3是图2示悬臂板中压电智能挠性结构板正面压电陶瓷片分布示意图。

图4是图2示悬臂板中压电智能挠性结构板背面压电陶瓷片分布示意图。

图5是图1示实例中系统振动控制程序流程框图。

图6(a)和图6(b)分别是图1示实例中第一阶弯曲模态振动未控制和控制响应时间历程图。

图7(a)和图7(b)分别是图1示实例中前二阶弯曲模态振动未控制和控制响应时间历程图。

图8(a)和图8(b)分别是图1示实例中第一阶扭转模态振动未控制和控制响应时间历程图。

图9(a)和图9(b)分别是图1示实例中前二阶扭转模态振动未控制和控制响应时间历程图。

图10是压电陶瓷电源连接关系示意图。

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。

挠性太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置为图1所示的试验装置，如图1所示，选取挠性板3外伸尺寸为1045mm×500mm×1.78mm(分别为长、宽、高，在坐标系中分别为x、y和z)的环氧树脂板作为模拟挠性太空帆板，环氧树脂板弹性模量为E_p＝34.64GPa，密度为ρ_p＝1865kg/m³。机械支架夹持装置14包括扁平矩形基坐板，矩形柱状支架和等腰梯形夹板，夹板用于夹持挠性板3。将挠性板3的夹持端加工，钻出螺栓连接孔，以便与支架和夹板的固定夹持。选用环氧树脂板，这种材料具有较好的强度和柔性，可以按图1、2所示一端固定悬臂安装；选取环氧树脂板的几何尺寸能够较好地体现悬臂板弯曲和扭转模态的振动，并且在进行弯曲和扭转振动主动控制试验时，重力因素对板结构性能的基本无影响，悬臂固定的稳定性较好。如果在地面原理性装置的尺寸做得太大也会带来诸多问题，比如，由于在地面上重力的影响，太大会使悬臂支撑的挠性板失稳，可能翘曲，这样则无法进行试验研究；另外，太大，则空气阻尼的影响较大，不利于采用压电智能结构进行主动振动控制的模拟太空帆板的接近真空环境，试验环境不允许。该挠性板3具有模态频率低、阻尼小等特点。从一般的角度来说，对模拟挠性太空帆板选择要求为：可以根据长宽和厚度能够支撑即可，并且悬臂支撑时不发生翘曲，稳定性要好。

该试验装置还包括挠性板3、弯曲模态压电驱动器1、弯曲模态传感器2、扭转模态驱动器4、扭转模态传感器5。在挠性板固定端横向20～25mm处前后两面对称粘贴的多片压电陶瓷片，多片压电陶瓷片之间在挠性板的纵向距离为20～160mm，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；对于弯曲模态，本实例中选取八片对称分布，选取距离为90mm；弯曲模态传感器也为压电陶瓷片；弯曲模态传感器2在挠性板3的横向靠近固定端20～25mm处，位于挠性板3的纵向中间位置；在挠性板双面反对称粘贴多片压电陶瓷片，压电陶瓷片双面极性相同并联连接在一起组成扭转模态驱动器4，反对称粘贴是指正面的压电陶瓷片姿态角度为45°，反面压电陶瓷片的姿态角与正面垂直，都位于挠性板3的纵向中间位置，横向范围可选35～100mm，扭转模态驱动器4的压电陶瓷片之间双面接线信号的极性相同，并联连接联系一起组成扭转模态驱动器。本实例中选六片压电陶瓷片，每面三片压电陶瓷片在挠性板3的双面按图2的位置反对称分布粘贴，距离为48mm，组成扭转模态驱动器4。双面反对称粘贴多片压电陶瓷片组成的扭转模态传感器5，其反对称粘贴和多片分布与扭转模态驱动器4的压电陶瓷片类似，按图2的位置靠近挠性悬臂板3的自由端，这样扭转模态压电驱动器和扭转模态传感器的分布就抵消弯曲模态的信息，仅能检测和驱动扭转模态。如图2所示，在挠性板2的横向中间位置还安装了一路压电陶瓷片，在板的中线还安装了一路扭转模态驱动器，这些都是在试验装置建立时粘贴的，目的是为了其它研究用。

因为压电陶瓷片具有正效应和逆效应，所以即可以用作传感器，也可以用作驱动器。当压电陶瓷片在长度方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。依据正压电效应压电陶瓷片可作为压电传感器。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，依据逆压电效应压电陶瓷片可作为压电驱动器。根据力学知识，当压电陶瓷片的姿态角度为0°时，粘贴在悬臂板的固定端，则产生和感知挠性悬臂板的弯曲振动模态的拉伸和压缩应变，就可以作为弯曲模态驱动器和弯曲模态传感器；当姿态角度为45°时，并且在自由端双面反对称粘贴，压电陶瓷片的拉伸和压缩应变就会使得挠性悬臂板产生剪切应变，就可以作为扭转模态驱动器和扭转模态传感器。

该试验装置还包括一套激振力锤6(型号：2302-10生产单位ENDEVC0公司)，多台低频电荷放大器7(型号：YE5850生产单位：江苏联能电子有限公司)、多通道A/D转换数据采集卡8(型号：PCL-818HD生产单位：台湾研华科技公司)、计算机9(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10(型号：PCL-727生产单位：台湾研华科技公司)、多路压电驱动高压放大器11(型号：APEX-PA241DW或APEX-PA240CX研制单位：华南理工大学机械工程学院，采用APEX公司放大器芯片；这里也可以采用市售的其他多路压电驱动高压放大器，但尺寸较大并需要交流供电，而这里做到小型化，并用直流电源供电即可)、任意函数信号发生器12(型号：F05生产单位：南京盛普仪器科技有限公司)和显示器13(型号：151N生产单位：韩国三星公司)。

图10是压电驱动高压放大器(也叫做压电陶瓷电源)11的各个部件的连接关系示意图，由直流+12V提供电源的直流电源模块之一21(DW-P201-100C)和直流电源模块之二22(DW-N201-100C)分别与可调电位计之一24和可调电位计之二25连接，直流电源模块之一21和直流电源模块之二22还分别与放大器集成电路芯片23(APEX-PA241DW或APEX-PA240CX)连接，可调电位计之一24和可调电位计之二25使得直流电源模块之一21和直流电源模块之二22分别输出直流+150V和-150V高电压，为放大器集成电路芯片提供电源，放大器集成电路芯片23分别接输入端和输出端；放大器集成电路芯片23通过电阻之一26接地；放大器集成电路芯片23还通过电阻之二27与输出端连接。放大器集成电路芯片23及电阻之一26和电阻之二27都分别焊接到所设计的电路板上。该装置将电压输入端的电压值V_in放大到V_out输出。如果选取电阻之一26的阻值为20kΩ，电阻之二27的阻值为510kΩ，则放大倍数为26.5倍，即将-5V～+5V的直流电压放大到-132.5V～+132.5V的高电压，用于驱动压电驱动器。另一种压电陶瓷电源是采用两个上述压电放大器组成的，放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260V～+260V。本压电陶瓷电源可适用于：航天器挠性附件的振动采用压电驱动控制场合以及智能结构振动和自适应形状控制；机器人的压电驱动控制；微小机器人中压电驱动控制；飞机的机翼等形状自适应控制；微机电系统及精密制造中的采用压电陶瓷微驱动等场合。应用本压电陶瓷电源11实现了小型化，并且直流+12V电源供电，通过两个直流-直流转换的高电压模块分别提供-150V和+150V双极性输出高电压直流作为电源，给APEX-PA241DW或APEX-PA240CX放大器供电，给出可实现分别放大26.5倍和52倍的两种类型压电驱动电压放大器。

弯曲模态传感器2和扭转模态传感器5采用分别与低频电荷放大器7连接(扭转模态传感器5的多片压电陶瓷片通过连接信号线组成模态传感器后与一台低频电荷放大器7连接)，低频电荷放大器7通过多通道A/D转换数据采集卡8与计算机9信号连接，计算机9接显示器13。弯曲模态压电驱动器1和扭转模态驱动器4分别与压电驱动高压放大器11连接，这里弯曲模态压电驱动器1中的所有压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起组成一路弯曲驱动器，与多路压电驱动高压放大器11连接，扭转模态驱动器4是双面极性相同并联连接在一起组成一路扭转模态驱动器，与多路压电驱动高压放大器11连接，多路压电驱动高压放大器11通过多通道D/A转换卡10与计算机9信号连接；多路压电驱动高压放大器11还与任意函数信号发生器12信号连接。数据采集卡8和D/A转换卡10可插入计算机9的IO扩展槽ISA总线槽中。

应用时，采用有限元方法或模态解析方法对模拟挠性太空帆板进行模态分析计算，获得挠性板的前二阶弯曲振动模态的频率和前二阶扭转振动模态的频率和模态曲面，目的是理论分析模态频率，与实验辨识相互验证，分析按照步骤(1)的选取悬臂板的尺寸是否满足模拟太空帆板实验要求，并在控制算法设计时参考。

根据能控性(弯曲模态压电驱动器1和扭转模态驱动器4分别对挠性悬臂板的驱动控制能力)和能观性(弯曲模态传感器2和扭转模态传感器5分别对挠性悬臂板振动的观测能力)准则，对压电陶瓷片传感器和驱动器进行优化配置，并用环氧胶将压电传感片和驱动片在环氧板的正反面进行粘贴。在压电陶瓷片进行优化分布时，对于弯曲模态，弯曲模态压电驱动器1的压电陶瓷片之间的在3的纵向距离范围可选50～250mm对称分布，一片检测弯曲模态的压电传感器2，在挠性板3的纵向中间位置，弯曲模态传感器2和弯曲模态压电驱动器1中最近压电陶瓷片的距离范围为20～200mm；在3的横向靠近固定端20mm处，在挠性板上双面反对称粘贴多片压电陶瓷片组成扭转模态驱动器4，反对称粘贴是指正面的压电陶瓷片姿态角度为45°，反面压电陶瓷片的姿态角与正面垂直，多片在挠性板3的纵向中间位置，横向范围可选35～100mm，多片之间双面接线信号的极性相同并联连接联系一起组成扭转模态驱动器。双面反对称粘贴多片压电陶瓷片组成的扭转模态传感器5，这里的反对称粘贴和多片分布与扭转模态驱动器4类似，多片之间双面接线信号的极性相同并联连接联系一起组成一路扭转模态传感器。扭转模态驱动器4和扭转模态传感器5之间距离的范围为80～200mm，压电陶瓷片的尺寸为50mm×15mm×1mm，弹性模量和压电应变常量分别为E_pe＝63GPa，d₃₁＝166pm/V。如果挠性悬臂板的尺寸增加，则按照给出的距离关系增加弯曲模态压电驱动器1、扭转模态驱动器4和扭转模态传感器5的压电陶瓷片的数目，这样扭转模态压电驱动器和扭转模态传感器的分布就抵消弯曲模态的信息，仅能检测和驱动扭转模态。

具体到本实例中，对于弯曲模态驱动器，选取八片对称分布，本实例选取在挠性板3的纵向距离为90mm，在挠性板3的横向靠近固定端20mm处，双面按图2、图3和图4的位置对称粘贴；一片检测弯曲模态的压电传感器2，在挠性板3的横向靠近固定端20mm处，在挠性板3的纵向中间位置；本实例中扭转模态驱动器选六片每面三片压电陶瓷片在挠性板3的双面按图2、图3和图4的位置反对称分布粘贴，在挠性板3的纵向的中间位置，在挠性板3的横向距离为48mm；扭转模态传感器和扭转模态驱动器分布类似，之间的距离为126mm。

如图2、3、4所示，弯曲模态压电驱动器1，共八片，在环氧树脂板的正反面对称粘贴，每面四片，双面的信号线极性相反，仅驱动多阶弯曲模态；弯曲模态的压电传感器2仅一片压电陶瓷片粘贴在根部的中间位置，仅检测多阶弯曲模态；扭转模态驱动器4共六片压电陶瓷片，每面三片压电陶瓷片，在挠性板上正反面反对称粘贴，双面的信号线的极性相同，这样抵消掉弯曲模态，仅驱动扭转模态；扭转模态传感器5共六片压电陶瓷片，每面三片，在挠性板上正反面反对称粘贴，双面的信号线的极性相同，这样抵消掉弯曲模态，仅驱动检测模态。这里驱动器1距离传感器2最近的一片在挠性板3的纵向之间的距离为90mm，在挠性板3的横向弯曲模态压电驱动器1和弯曲模态的压电传感器2靠近固定端20mm处，扭转模态驱动器4和扭转模态传感器5分别由六片双面反对称粘贴的压电陶瓷片构成，之间的距离为126mm，扭转模态驱动器4和弯曲模态压电驱动器1或弯曲模态的压电传感器2在挠性板3的横向距离为693mm。这里弯曲模态压电陶瓷片的姿态角度(压电陶瓷片与挠性板3的横向夹角)为0°，扭转模态驱动器4和弯曲模态压电驱动器1采用多片压电陶瓷片是为了增加驱动能力。扭转模态传感和扭转模态驱动器分别多片压电陶瓷片反对称粘贴，目的是为了抵消弯曲模态的信息，仅检测扭转和驱动模态。采用多片压电陶瓷片是利用多片压电陶瓷片的平均效应，这样补偿了由于压电陶瓷片的参数特性差而异引起的弯曲和扭转模态解耦不彻底的问题，尤其是扭转模态传感器和扭转模态驱动片分别多片双面反对称粘贴，还可以补偿由于粘贴位置和理想画图尺寸的一些误差，以及粘贴胶的厚度差异等因素，充分抵消弯曲模态信息，实现弯曲和扭转模态的解耦。并且，从试验振动控制结果表明，这样优化配置可以实现弯曲和扭转振动模态很好地解耦(因为挠性悬臂板的振动模态包含多弯曲和多扭转模态耦合在一起的，解耦是通过压电传感器和驱动器的优化配置将弯曲和扭转模态在检测和驱动控制分离出来，分别进行)，并且，弯曲模态压电驱动器1在端部粘贴8片，可以满足对多弯曲模态振动快速抑制的要求，扭转模态驱动器在安装端端部粘贴6片，可以满足对多扭转模态振动快速一种的要求。

压电陶瓷片传感器的输出电荷与挠性板板表面应变的关系，称之为压电传感方程，挠性板板的弯曲模态压电传感片输出电荷可表示为：

$q\left(t\right)=-{\mathrm{re}}_{31}\∫{\∫}_S(\frac{{\∂}^{2}w}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}w}{{\∂y}^2})\mathrm{dxdy}$

式中S为单片弯曲压电传感片所覆盖的区域，w(x，y，t)为板的横向振动位移，e₃₁为传感片的弯曲模态压电应力常数，r为压电传感片中面到板中性面间的距离。

因为扭转模态的传感器为六片并联，所以板的扭转模态压电传感片输出电荷可表示为：

$q\left(t\right)=-12e_{36}r\∫{\∫}_S\left(\frac{{\∂}^{2}w}{\∂x\∂y}\right)\mathrm{dxdy}$

式中S为单片扭转压电传感片所覆盖的区域，w(x，y，t)为板的横向振动位移，e₃₆为传感片的扭转模态压电应力常数，r为压电传感片中面到板中性面间的距离。

从中可以看出，它给出的是反映压电有效区域内板表面平均应变的电荷值，它表明压电传感片的输出电荷与其覆盖的基体结构表面的平均应变成正比，即用压电传感片可测得板结构的应变，即分别反映挠性悬臂板弯曲和扭转模态的振动信息。压电控制和压电传感满足一种对偶关系，在驱动控制就实现了弯曲和扭转的解耦。

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8和D/A转换卡10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13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，控制测量参数的输入，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13实时显示A/D转换数据采集卡8采集的弯曲和扭转模态的信息，控制量经过D/A转换卡10的输出，控制算法的实现和控制参数的调整，以及控制测量的开启和关闭。

应用上述模拟智能挠性太空帆板结构弯曲和扭转模态主动振动控制试验装置的控制方法如图5所示，包括如下步骤：

(1)开启计算机9，参数初始化，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。这里采用复合PPF&PD非线性控制算法，初始化参数有：PPF算法中控制器的模态频率、阻尼系数、控制增益，PD控制算法中的比例控制增益、微分控制增益；弯曲和扭转模态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。(这里PPF是英文Positive Position Feedback的缩写，表示为正位反馈控制；这里PD是英文Proportional Derivative的缩写，表示为经典的比例微分控制)

(2)开启电荷放大器7和压电驱动高压放大器11。采用激振力锤6激振辨识法或采用函数信号发生器12产生扫描频率正弦信号经过压电陶瓷电源11激励弯曲模态驱动器1或扭转模态驱动器4，分别激励弯曲和扭转模态的振动。这里用力锤激励方法：用力锤6在3的纵向的中间位置激励，仅可以激励弯曲振动模态，用激振力锤6在挠性板3的横向端部和纵向的中间位置推出一定距离便激励了第一阶弯曲模态；用力锤在挠性板3的横向中间位置和纵向的中间位置敲击一下，便记录了前二阶弯曲振动模态。用力锤激励扭转模态方法：用激振力锤6在挠性板3的横向端部和纵向的端部推出一定距离便激励了第一阶扭转模态，若在同样激励位置敲击一下便激励前二阶扭转振动模态，当然，激励扭转振动模态时，同时也会激励弯曲振动模态，但通过上述的步骤(3)压电陶瓷片的优化配置实现了弯曲和扭转振动模态在检测和驱动控制上的解耦，这样，将弯曲模态传感器2和扭转模态传感器5的压电电荷信号分别通过电荷放大器7放大后，通过采集卡8采集记录弯曲和扭转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。另外，采用函数信号发生器12产生扫描频率正弦信号经过压电陶瓷电源11激励弯曲模态驱动器1或扭转模态驱动器4，分别激励弯曲和扭转模态的振动，记录压电传感器后分别经过FFT变换，就可得到幅频响应曲线，同样可以得到模态频率。这两种方法就是模态频率辨识方法，将辨识结果相比较和计算结果相互验证。

(3)利用计算或辨识得到的振动频率信息，实现弯曲模态和扭转模态的控制策略。这里控制策略包括：对采集的信号进行经典的滑动平均滤波(Moving Average，缩写为MA)处理，目的是对传感器的高频噪声进行处理，控制采样时间为1ms，采用20个采样数据进行滑动平均，采用复合PPF&PD非线性控制算法等。根据步骤(2)辨识得到的弯曲和扭转振动模态频率，通过人机交互界面输入到PPF&PD非线性控制策略中，这就为主动控制设置好了相应的参数。

(4)用力锤6按照步骤(2)的激振方法激励挠性板弯曲和扭转模态的振动，通过弯曲模态的压电传感器2和扭转模态传感器5分别将采集的弯曲和扭转模态大的信息经过电荷放大器7后，通过A/D转换卡8采集振动信息，在显示器13通过两个窗口分别实时显示弯曲和扭转模态的振动信息，通过人机界面，开启控制策略，控制量经D/A转换卡10的输出信号经过压电陶瓷电源11放大后驱动弯曲模态驱动器1和扭转模态驱动器4，分别同时进行弯曲和扭转模态的振动控制。

用力锤在挠性板的不同点上激励时，并且当激励力的大小不同时，能激励的弯曲和扭转振动模态的振动幅值和阶数也不同，应对不同的激励情况都要进行试验研究，以便验证优化配置能否实现弯曲和扭转模态的解耦及主动振动控制策略的效果，激励弯曲和扭转模态振动的方法按照步骤(2)进行。

(5)开启施加控制策略后，通过显示器13实时显示弯曲和扭转振动控制效果，并记录存储数据进行分析。记录存储数据的格式为.dat文件格式，将其载入图形软件进行分析。

(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，这里参数调整为步骤(1)中所述的PPF&PD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，经过4次激励，分别得到第一阶、前二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如图6(a)和图7(a)所示，分别得到第一阶、前二阶扭转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8(a)和图9(a)所示；其中图6(a)和图7(a)是按照步骤(2)分别激励第一阶和前二阶弯曲模态振动时采集记录弯曲模态传感器2的信号；图8(a)和图9(a)是按照步骤(5)分别激励第一阶和前二阶扭转模态振动时采集记录扭转模态传感器5的信号。从未控制实验记录的时间历程可知，本发明选用尺寸较大的悬臂板，振动模态频率较低，可以模拟太空帆板的弯曲和扭转振动，并且该发明的弯曲和扭转模态压电敏感器的优化配置方法，和现有技术相比，不需要根据弯曲和扭转振动的前几阶模态频率设计模拟或数字带通滤波器，即不需要通过滤模态的方法就很好地实现弯曲和扭转振动模态在检测上的解耦，从图6(a)和图7(a)与图8(a)和图9(a)的结果可知，弯曲和扭转模态之间的信号解耦效果很好，分别表示弯曲和扭转模态的振动信息。采用复合非线性控制策略PPF&PD算法，对弯曲和扭转振动模态进行控制，按照步骤(4)和(5)的方法记录的主动控制的试验结果如图6(b)、图7(b)、图8(b)和图9(b)所示，其中图6(b)和图7(b)分别为记录弯曲模态传感器2得到的第一阶和前二阶弯曲模态振动控制响应时间历程图；图8(b)和图9(b)分别为记录扭转模态传感器5得到的第一阶和前二阶扭转模态振动控制响应时间历程图。从控制的实验结果可知，本发明采用的驱动器优化配置方法和现有技术相比，很好地实现了弯曲和扭转振动模态在驱动控制上的解耦。从实验结果可知，弯曲和扭转模态传感器和驱动器的优化配置方法，与传统方法相比，即克服了同位配置的应力集中导致的局部刚化的局部控制问题，有解决了异位配置由于不同模态的相位差不同等因素又会引起系统控制的稳定性问题，并且可以实现振动的快速抑制。本发明的控制系统中研制的小型化压电陶瓷电源，可以很好地驱动压电驱动器，具有很好的驱动能力，这与现有的压电陶瓷电源相比，尺寸小，并且仅需要直流+12V电源供电即可。从本发明的装置和系统以及激励和控制方法来看，操作方面，很好地模拟太空帆板弯曲和扭转模态的振动，并通过控制方法得到了快的振动控制。

图6(a)为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，从中可知，对于挠性悬臂板第一阶弯曲模态的振动，自由衰减需要很长时间，记录40s时间振动还有一定的幅值，振动完全消除需要70s以上时间；图6(b)为第一阶弯曲模态采用PPD&PD控制策略后的响应时间历程图试验结果曲线，从中可知，主动控制挠性悬臂板第一阶弯曲模态的振动，振动完全消除需要7s时间。图7(a)为前二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，从中可知，对于挠性悬臂板前阶弯曲模态的振动，自由衰减需要很长时间，本图记录了15s振动的自由衰减结果；图7(b)为前二阶弯曲模态采用PPD&PD控制策略后的响应时间历程图试验结果曲线，从中可知，主动控制挠性悬臂板前二阶弯曲模态的振动，振动完全消除需要7s时间；从中可知，本发明的弯曲模态传感器和驱动器的优化配置对弯曲模态振动控制的有效性。

图8(a)为第一阶扭转模态未控制自由衰减的响应时间历程图试验结果曲线，从中可知，对于挠性悬臂板第一阶扭转模态的振动，自由衰减需要很长时间，记录15s时间振动还有一定的幅值，若振动完全消除需要30s以上时间；图8(b)为第一阶扭转模态采用PPD&PD控制策略后的响应时间历程图试验结果曲线，从中可知，主动控制挠性悬臂板第一阶扭转模态的振动，振动完全消除需要4s时间。图9(a)为前二阶扭转模态未控制自由衰减的响应时间历程图试验结果曲线，从中可知，对于挠性悬臂板前阶扭转模态的振动，自由衰减需要很长时间，本图记录了15s振动的自由衰减结果；图9(b)为前二阶扭转模态采用PPD&PD控制策略后的响应时间历程图试验结果曲线，从中可知，主动控制挠性悬臂板前二阶扭转模态的振动，振动完全消除需要4s时间；从中可知，本发明的扭转模态传感器和驱动器的优化配置对扭转模态振动控制的有效性。

从弯曲和扭转模态的主动控制试验效果可知本发明的方法的效果。经过多次试验研究结果表明，根据本发明给出的弯曲和扭转模态的解耦方法，较好地实现了压电智能挠性悬臂板弯曲模态和扭转振动模态的解耦，分别进行控制，最终达到快速抑制挠性悬臂板振动的目的。

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 (6)

1. 太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置，其特征在于，该装置包括挠性板、弯曲模态压电驱动器、弯曲模态传感器、扭转模态驱动器、扭转模态传感器、低频电荷放大器，多通道A/D转换数据采集卡、计算机、多通道D/A转换卡，多路压电驱动高压放大器、任意函数信号发生器和显示器；挠性板通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，在挠性板固定端横向20～25mm处前后两面对称粘贴的多片压电陶瓷片，多片压电陶瓷片之间在挠性板的纵向距离为20～160mm，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；弯曲模态传感器为压电陶瓷片，在挠性板的横向靠近固定端20～25mm处，位于挠性板的纵向中线，姿态角度为0°；在挠性板双面反对称粘贴多片压电陶瓷片，压电陶瓷片双面极性相同并联连接在一起组成扭转模态驱动器，扭转模态驱动器的压电陶瓷片之间在横向距离为35～100mm；双面反对称粘贴多片压电陶瓷片组成的扭转模态传感器，扭转模态传感器的压电陶瓷片姿态角度为45°，扭转模态驱动器靠近挠性悬臂板的自由端，扭转模态驱动器和扭转模态传感器之间距离的范围为80～200mm；弯曲模态传感器和扭转模态传感器分别与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信号连接，计算机接显示器；弯曲模态压电驱动器与扭转模态驱动器分别与多路压电驱动高压放大器连接，多路压电驱动高压放大器通过多通道D/A转换卡与计算机信号连接；多路压电驱动高压放大器还与任意函数信号发生器信号连接。

2. 根据权利要求1所述的太空帆板弯曲和扭转模态振动主动控制装置，其特征在于所述反对称粘贴是指正面的压电陶瓷片姿态角度为45°，反面压电陶瓷片的姿态角与正面垂直，都位于挠性板的纵向中间位置。

3. 根据权利要求1所述的太空帆板弯曲和扭转模态振动主动控制装置，其特征在于所述弯曲模态压电驱动器的压电陶瓷片共八片，每面四片；扭转模态压电驱动器和扭转模态传感器分别采用六片压电陶瓷片，每面三片。

4. 根据权利要求1所述的太空帆板弯曲和扭转模态振动主动控制装置，其特征在于所述压电驱动电压放大器由直流+12V提供电源的直流电源模块之一和直流电源模块之二分别与可调电位计之一和可调电位计之二连接，直流电源模块之一和直流电源模块之二还分别与放大器集成电路芯片连接，放大器集成电路芯片分别接输入端和输出端；放大器集成电路芯片通过电阻之一接地；放大器集成电路芯片还通过电阻之二与输出端连接。

5. 应用权利要求1所述的装置的太空帆板弯曲和扭转模态振动主动控制方法，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或采用函数信号发生器产生扫描频率正弦信号经过压电陶瓷电源激励弯曲模态驱动器或扭转模态驱动器，激励弯曲和扭转模态的振动，辨识得到的弯曲和扭转振动模态频率；

(3)利用辨识得到的振动频率信息，实现弯曲模态和扭转模态的控制策略；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，采用多个个采样数据进行滑动平均，并采用复合PPF&PD非线性控制算法计算；根据步骤(2)辨识得到的弯曲和扭转振动模态频率，通过人机交互界面输入到PPF&PD非线性控制策略中，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板弯曲和扭转模态的振动，通过弯曲模态的压电传感器和扭转模态传感器分别将采集的弯曲和扭转模态大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弯曲和扭转模态的振动信息，通过人机界面，开启控制策略，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和扭转模态驱动器，分别同时进行弯曲和扭转模态的振动控制；

(5)开启施加控制策略后，通过显示器实时显示弯曲和扭转振动控制效果，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PPF&PD控制算法参数，直到获得良好的控制效果。

6. 根据权利要求5所述的太空帆板弯曲和扭转模态振动主动控制方法，其特征在于所述步骤(5)记录存储数据的格式为.dat文件格式。

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