CN104092403B - 基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统及方法 - Google Patents
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Abstract
基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统及方法，该系统包括固定于地面的主支撑杆，在主支撑杆上固定有柔性横杆和位于柔性横杆两侧的柔性斜杆，在主支撑杆上固定有安装夹具，安装夹具另一端通过第一刚性绳索与菱形作动器短轴侧一端连接,菱形作动器短轴侧的另一端通过第二刚性绳索和固定在柔性斜杆上的定位夹具连接；第一和第二刚性绳索和定位夹具的长度方向在同一直线上，并与柔性斜杆垂直，柔性横杆和柔性斜杆的另一端均与柔性桁架结构主体相连；本发明还提供了该系统的控制方法；本发明利用压电堆的逆压电效应，输出微位移和较大的控制力，通过菱形位移放大机构放大输出位移，对柔性桁架结构施加控制，即可实现柔性桁架结构的振动主动抑振。
Description
技术领域
本发明涉及振动控制技术领域，具体涉及基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统及方法。
背景技术
作为一种智能材料，压电材料目前已被广泛的研究，并被应用在各类工程结构中。它既能在外加力场作用下产生电荷输出(正压电效应)，又能在外加电场作用下产生力或位移输出(逆压电效应)，因此，压电材料在传感器和作动器领域得到了较广泛的应用。压电作动器正是利用了压电材料的逆压电效应。压电作动器因其输出位移分辨率高、响应快、功耗小等优点，已被广泛的应用于航天航空、机械、电力等领域，是目前最有发展前途的智能驱动器之一。
大型柔性空间桁架结构具有质量轻，制造工艺便利，空间拆装方便，构型灵活丰富，并可实现结构形状调整，能满足大部分航天器结构的空间任务设计要求，因此在航天器结构中应用非常广泛。但是，柔性空间桁架结构由于尺寸大、重量轻、柔性显著、阻尼弱，在太空工作时将不可避免地受到各种外界和内部因素的干扰，从而激起低频、非线性、大幅度的振动，且一旦激起将很难自行衰减，将会干扰姿态控制系统的正常工作，也给航天器的定位精度带来严重影响。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统及方法，本发明利用压电堆的逆压电效应，输出微位移和较大的控制力，通过菱形位移放大机构放大输出位移，对柔性桁架结构施加控制，即可实现柔性桁架结构的振动主动抑振；相比其它控制方式，对柔性桁架结构的固有频率影响小，输出位移分辨率高、响应快、功耗小，抑振效果更明显。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统，包括固定于地面的主支撑杆1，在主支撑杆1上固定有柔性横杆2和分别位于柔性横杆2两侧的左柔性斜杆8-1和右柔性斜杆8-2，位于柔性横杆2下方且紧邻柔性横杆2、在主支撑杆1上固定有安装夹具3，安装夹具3另一端的左边通过左第一刚性绳索4-1与左菱形作动器5-1短轴侧的一端连接，左菱形作动器5-1短轴侧的另一端通过左第二刚性绳索6-1和固定在左柔性斜杆8-1上的左定位夹具7-1连接，安装夹具3另一端的右边通过右第一刚性绳索4-2与右菱形作动器5-2短轴侧的一端连接，右菱形作动器5-2短轴侧的另一端通过右第二刚性绳索6-2和固定在右柔性斜杆8-2上的右定位夹具7-2连接；所述左菱形作动器5-1和右菱形作动器5-2的长轴侧均连接有压电堆；所述左第一刚性绳索4-1、左第二刚性绳索6-1和左定位夹具7-1的长度方向在同一直线上，且该直线与左柔性斜杆8-1垂直，所述右第一刚性绳索4-2、右第二刚性绳索6-2和右定位夹具7-2的长度方向在同一直线上，且该直线与右柔性斜杆8-2垂直；所述柔性横杆2、左柔性斜杆8-1和右柔性斜杆8-2的另一端均与柔性桁架结构主体相连。
所述左菱形作动器5-1和右菱形作动器5-2的长轴侧均连接有两个压电堆。
所述安装夹具3包括固定在主支撑杆1上的抱环3-1以及固定在抱环3-1上部的连接块3-2。
所述左第一刚性绳索4-1、右第一刚性绳索4-2、左第二刚性绳索6-1和右第二刚性绳索6-2为凯夫拉绳索。
所述左定位夹具7-1、右定位夹具7-2、左菱形作动器5-1、右菱形作动器5-2和安装夹具3的尺寸在保证控制效果的同时尽量小。
上述所述的基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统的控制方法，工作时，首先调节安装夹具3两侧的左第一刚性绳索4-1、右第一刚性绳索4-2、左第二刚性绳索6-1和右第二刚性绳索6-2使其处于预紧状态，保证柔性横杆2及与其相连的柔性桁架结构主体处于静平衡位置；当柔性结构桁架主体沿水平面被激振后，产生沿X方向左右摇晃振动；当柔性桁架结构主体沿X正向摆动且振幅达到预先设定位移值时，开始给右菱形作动器5-2通电，右菱形作动器5-2工作，左菱形作动器5-1未工作，右菱形作动器5-2中压电堆沿长轴方向伸长，则右菱形作动器5-2短轴方向长度缩短，通过右第二刚性绳索6-2带动连接在右柔性斜杆8-2、柔性横杆2和左柔性斜杆8-1上的柔性桁架结构主体往左侧拉回；当柔性桁架结构主体沿X负向摆动且振幅达到预先设定位移值时，开始给左菱形作动器5-1通电，左菱形作动器5-1工作，右菱形作动器5-2停止工作，左菱形作动器5-1中压电堆沿长轴方向伸长，则左菱形作动器5-1短轴方向长度缩短，通过左第二刚性绳索6-1带动连接在左柔性斜杆8-1、柔性横杆2和右柔性斜杆8-2上的柔性桁架结构主体往右侧拉回；柔性桁架结构主体沿X方向来回摆动时，左菱形作动器5-1和右菱形作动器5-2交替工作，从而达到抑振的效果。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
大型柔性空间桁架结构具有质量轻，制造工艺便利，空间拆装方便，构型灵活丰富，并可实现结构形状调整，能满足大部分航天器结构的空间任务设计要求，因此在航天器结构中应用非常广泛。但是，柔性空间桁架结构由于尺寸大、重量轻、柔性显著、阻尼弱，在太空工作时将不可避免地受到各种外界和内部因素的干扰，从而激起低频、非线性、大幅度的振动，且一旦激起将很难自行衰减，将会干扰姿态控制系统的正常工作，也给航天器的定位精度带来严重影响；本发明利用压电堆的逆压电效应，输出微位移和较大的控制力，通过菱形位移放大机构放大输出位移，对柔性桁架结构施加控制，即可实现柔性桁架结构的振动主动抑振。
基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统及方法，相比其它控制方式，对柔性桁架结构的固有频率影响小，输出位移分辨率高、响应快、功耗小，抑振效果更明显。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为安装夹具结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统，包括固定于地面的主支撑杆1，在主支撑杆1上固定有柔性横杆2和分别位于柔性横杆2两侧的左柔性斜杆8-1和右柔性斜杆8-2，位于柔性横杆2下方且紧邻柔性横杆2、在主支撑杆1上固定有安装夹具3，安装夹具3另一端的左边通过左第一刚性绳索4-1与左菱形作动器5-1短轴侧的一端连接，左菱形作动器5-1短轴侧的另一端通过左第二刚性绳索6-1和固定在左柔性斜杆8-1上的左定位夹具7-1连接，安装夹具3另一端的右边通过右第一刚性绳索4-2与右菱形作动器5-2短轴侧的一端连接，右菱形作动器5-2短轴侧的另一端通过右第二刚性绳索6-2和固定在右柔性斜杆8-2上的右定位夹具7-2连接；所述左菱形作动器5-1和右菱形作动器5-2的长轴侧均连接有压电堆；所述左第一刚性绳索4-1、左第二刚性绳索6-1和左定位夹具7-1的长度方向在同一直线上，且该直线与左柔性斜杆8-1垂直，所述右第一刚性绳索4-2、右第二刚性绳索6-2和右定位夹具7-2的长度方向在同一直线上，且该直线与右柔性斜杆8-2垂直；所述柔性横杆2、左柔性斜杆8-1和右柔性斜杆8-2的另一端均与柔性桁架结构主体相连。
作为本发明的优选实施方式，所述左菱形作动器5-1和右菱形作动器5-2的长轴侧均连接有两个压电堆，输出位移是单个压电堆输出位移的两倍，且输出相对稳定。
如图2所示，作为本发明的优选实施方式，所述安装夹具3包括固定在主支撑杆1上的抱环3-1以及固定在抱环3-1上部的连接块3-2。
作为本发明的优选实施方式，所述左第一刚性绳索4-1、右第一刚性绳索4-2、左第二刚性绳索6-1和右第二刚性绳索6-2为凯夫拉绳索，刚性大。
作为本发明的优选实施方式，所述左定位夹具7-1、右定位夹具7-2、左菱形作动器5-1、右菱形作动器5-2和安装夹具3的尺寸在保证控制效果的同时尽量小，减小其对柔性桁架结构固有频率的影响。
如图1所示，本发明基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统的控制方法，工作时，首先调节安装夹具3两侧的左第一刚性绳索4-1、右第一刚性绳索4-2、左第二刚性绳索6-1和右第二刚性绳索6-2使其处于预紧状态，保证柔性横杆2及与其相连的柔性桁架结构主体处于静平衡位置；当柔性桁架结构主体沿水平面被激振后，产生沿X方向左右摇晃振动；当柔性桁架结构主体沿X正向摆动且振幅达到预先设定位移值时，开始给右菱形作动器5-2通电，右菱形作动器5-2工作，左菱形作动器5-1未工作，右菱形作动器5-2中压电堆沿长轴方向伸长，则右菱形作动器5-2短轴方向长度缩短，通过右第二刚性绳索6-2带动连接在右柔性斜杆8-2、柔性横杆2和左柔性斜杆8-1上的柔性桁架结构主体往左侧拉回；当柔性桁架结构主体沿X负向摆动且振幅达到预先设定位移值时，开始给左菱形作动器5-1通电，左菱形作动器5-1工作，右菱形作动器5-2停止工作，左菱形作动器5-1中压电堆沿长轴方向伸长，则左菱形作动器5-1短轴方向长度缩短，通过左第二刚性绳索6-1带动连接在左柔性斜杆8-1、柔性横杆2和右柔性斜杆8-2上的柔性桁架结构主体往右侧拉回；柔性桁架结构主体沿X方向来回摆动时，左菱形作动器5-1和右菱形作动器5-2交替工作，从而达到抑振的效果。
Claims (6)
1.基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统，其特征在于：包括固定于地面的主支撑杆(1)，在主支撑杆(1)上固定有柔性横杆(2)和分别位于柔性横杆(2)两侧的左柔性斜杆(8-1)和右柔性斜杆(8-2)，位于柔性横杆(2)下方且紧邻柔性横杆(2)、在主支撑杆(1)上固定有安装夹具(3)，安装夹具(3)另一端的左边通过左第一刚性绳索(4-1)与左菱形作动器(5-1)短轴侧的一端连接，左菱形作动器(5-1)短轴侧的另一端通过左第二刚性绳索(6-1)和固定在左柔性斜杆(8-1)上的左定位夹具(7-1)连接，安装夹具(3)另一端的右边通过右第一刚性绳索(4-2)与右菱形作动器(5-2)短轴侧的一端连接，右菱形作动器(5-2)短轴侧的另一端通过右第二刚性绳索(6-2)和固定在右柔性斜杆(8-2)上的右定位夹具(7-2)连接；所述左菱形作动器(5-1)和右菱形作动器(5-2)的长轴侧均连接有压电堆；所述左第一刚性绳索(4-1)、左第二刚性绳索(6-1)和左定位夹具(7-1)的长度方向在同一直线上，且该直线与左柔性斜杆(8-1)垂直，所述右第一刚性绳索(4-2)、右第二刚性绳索(6-2)和右定位夹具(7-2)的长度方向在同一直线上，且该直线与右柔性斜杆(8-2)垂直；所述柔性横杆(2)、左柔性斜杆(8-1)和右柔性斜杆(8-2)的另一端均与柔性桁架结构主体相连。
2.根据权利要求1所述的基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统，其特征在于：所述左菱形作动器(5-1)和右菱形作动器(5-2)的长轴侧均连接有两个压电堆。
3.根据权利要求1所述的基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统，其特征在于：所述安装夹具(3)包括固定在主支撑杆(1)上的抱环(3-1)以及固定在抱环(3-1)上部的连接块(3-2)。
4.根据权利要求1所述的基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统，其特征在于：所述左第一刚性绳索(4-1)、右第一刚性绳索(4-2)、左第二刚性绳索(6-1)和右第二刚性绳索(6-2)为凯夫拉绳索。
5.根据权利要求1所述的基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统，其特征在于：所述左定位夹具(7-1)、右定位夹具(7-2)、左菱形作动器(5-1)、右菱形作动器(5-2)和安装夹具(3)的尺寸在保证控制效果的同时尽量小。
6.权利要求1所述的基于压电材料的柔性桁架结构振动主动抑振系统的控制方法，其特征在于：工作时，首先调节安装夹具(3)两侧的左第一刚性绳索(4-1)、右第一刚性绳索(4-2)、左第二刚性绳索(6-1)和右第二刚性绳索(6-2)使其处于预紧状态，保证柔性横杆(2)及与其相连的柔性桁架结构主体处于静平衡位置；当柔性桁架结构主体沿水平面被激振后，产生沿X方向左右摇晃振动；当柔性桁架结构主体沿X正向摆动且振幅达到预先设定位移值时，开始给右菱形作动器(5-2)通电，右菱形作动器(5-2)工作，左菱形作动器(5-1)未工作，右菱形作动器(5-2)中压电堆沿长轴方向伸长，则右菱形作动器(5-2)短轴方向长度缩短，通过右第二刚性绳索(6-2)带动连接在右柔性斜杆(8-2)、柔性横杆(2)和左柔性斜杆(8-1)上的柔性桁架结构主体往左侧拉回；当柔性桁架结构主体沿X负向摆动且振幅达到预先设定位移值时，开始给左菱形作动器(5-1)通电，左菱形作动器(5-1)工作，右菱形作动器(5-2)停止工作，左菱形作动器(5-1)中压电堆沿长轴方向伸长，则左菱形作动器(5-1)短轴方向长度缩短，通过左第二刚性绳索(6-1)带动连接在左柔性斜杆(8-1)、柔性横杆(2)和右柔性斜杆(8-2)上的柔性结构主体往右侧拉回；柔性桁架结构主体沿X方向来回摆动时，左菱形作动器(5-1)和右菱形作动器(5-2)交替工作，从而达到抑振的效果。
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