CN105929866A - 基于多激光位移传感器的铰接板振动控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于多激光位移传感器的铰接板振动控制装置及方法，包括柔性铰接板，所述柔性铰接板由两块柔性板通过铰链连接而成，通过机械夹持装置固定柔性铰接板的一端，采用三个激光位移传感器进行测量，安装于柔性铰接板的一侧，多片压电陶瓷作为驱动器，并通过对激光位移传感器和压电驱动器的粘贴位置进行优化配置，实现了对柔性铰接板的弯曲模态和扭转模态在检测和驱动控制上的解耦。该方法根据激光位移传感器的测量信号得到解耦后的弯曲模态和扭转模态振动信息，运行振动主动控制算法得到控制量，通过压电驱动电压放大器分别驱动弯曲和扭转模态驱动器控制弯曲和扭转多模态振动。
Description
技术领域
本发明涉及大型柔性铰接板结构振动控制领域，具体涉及一种基于多激光位移传感器的铰接板振动控制装置及方法。
背景技术
随着人类社会现代化过程的不断推进，航空航天技术在世界各国的激烈竞争中日新月异。美俄等航空航天大国在20世纪50年代就已经展开了深空探测任务，进入新世纪以来，世界各国更是将航天事业的发展作为国家综合实力的象征之一。航空航天器带有像太阳能帆板这样的柔性结构，由于被赋予越来越重要的功能，这类柔性结构的组成不断被复杂化，尺寸也越来越大。为了满足火箭的运载能力和降低发射成本，大型太阳能帆板和天线等结构不断采用新材料和新工艺以减轻自身重量，这使得其挠性越来越大。由于姿态和轨道控制以及空间环境的影响，这种大型柔性结构在运行期间将不可避免地产生振动，而太空中空气阻力很小甚至为零，因此若不进行主动控制，振动将持续很久，这将对航天器中设备的正常工作产生严重影响，甚至使航天器产生翻滚失稳。因此，针对柔性航天器及其附件的振动抑制问题的研究具有现实性和前瞻性并成为航空航天领域的重要内容。
随着电子计算机技术的发展以及现代控制技术的逐步完善，利用智能材料结合系统动力学、测试技术、自动控制等对柔性结构振动进行控制已然成为一项高新技术。它的基本思路是将智能材料传感器或驱动器集成在柔性结构上，通过传感器进行数据采集，用计算机对采集的数据计算处理后得到输出控制信号，将输出控制信号作用于驱动器，从而使受控振动响应与初始振动响应相互抵消，以达到抑制振动的目的。值得指出的是，基于压电智能结构的主动抑振技术具有实现灵活、控制精度高、功耗小等特点，对太空环境下低频振动控制具有明显优势。
针对大型挠性太空帆板结构的振动控制方面，现有技术存在以下不足：
(1)选用的柔性板尺寸较小，并且由单块柔性板组成，导致其固有频率较高，与实际太空帆板差距较大；
(2)主要采用压电陶瓷、加速度计和陀螺仪等进行接触式测量，这样会对柔性板产生负载效应，即测量时传感器必须和柔性板连为一体，这就必然对被测系统的整体状态带来影响，从而影响测量和控制精度；
(3)太空帆板的振动包括弯曲模态振动和扭转模态振动，现有技术主要针对弯曲模态振动进行主动控制，这是由于弯曲模态和扭转模态振动在测量和驱动控制方面的解耦问题没有得到有效的解决。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明首要目的是提供一种基于多激光位移传感器的铰接板振动控制装置；
本发明的另一个目的是提供一种基于激光位移传感器的铰接板振动控制方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于多激光位移传感器的铰接板振动控制装置，包括
柔性铰接板，由第一柔性板及第二柔性板通过铰链连接构成，所述柔性铰接板一端通过机械支架夹持装置固定称为固定端，另一端为自由端；
弯曲模态驱动器，包括多片压电陶瓷片，安装在柔性铰接板正反两面，且靠近固定端一侧，沿着柔性铰接板宽度方向中线对称布置，双面极性相反且并联连接；
扭转模态驱动器，包括多片压电陶瓷片，安装在第一柔性板的正反两面，位于第一柔性板的长度方向中线上，且关于柔性铰接板宽度方向中线对称布置，双面极性相反且并联连接；
激光位移传感器，具体为3个，位于柔性铰接板自由端的正面前方，均由激光探头和激光位移传感器控制器构成，所述激光探头与激光位移传感器控制器连接；
还包括第一压电驱动电压放大器、第一D/A转换电路、弯曲模态控制器、计算机、A/D转换电路、扭转模态控制器、第二D/A转换电路及第二压电驱动电压放大器；
所述激光位移传感器控制器通过A/D转换电路与计算机连接；
所述弯曲模态驱动器及扭转模态驱动器分别与第一、第二压电驱动电压放大器连接，所述第一、第二压电驱动电压放大器分别与第一、第二D/A转换电路连接，所述第一D/A转换电路与弯曲模态控制器连接，所述第二D/A转换电路与扭转模态控制器连接，所述计算机分别与弯曲模态控制器及扭转模态控制器连接。
第一激光探头及第三激光探头位于柔性铰接板自由端的两个角，且关于柔性铰接板宽度方向中线对称，第二激光探头位于柔性铰接板宽度方向中线上。
所述弯曲模态驱动器由八片压电陶瓷片构成，每面四片；所述扭转模态驱动器由四片压电陶瓷片构成，每面两片。
还包括支架，所述激光探头安装在支架上，并在支架上纵向滑动。
还包括运动控制卡及定时器，所述运动控制卡及定时器分别与计算机相连接。
一种铰接板振动控制装置的方法，包括如下步骤：
开启计算机、激光位移传感器及压电驱动电压放大器，进行参数初始化；
采用激振力锤激励起柔性铰接板的低频弯曲和扭转模态振动，第一、第二及第三激光探头检测到相应测量点的振动信号，并将振动信号传送至激光位移传感器控制器，振动信号再经A/D转换电路转换成数字信号后传输至计算机；
计算机运行弯曲和扭转模态解耦算法得到解耦的弯曲和扭转模态振动信号，处理得到弯曲和扭转模态振动控制量；
将弯曲和扭转模态振动控制量经D/A转换电路转换为模拟信号，再经压电驱动电压放大器放大后作用于弯曲模态驱动器和扭转模态驱动器，同时进行弯曲和扭转模态振动控制。
计算机运行弯曲和扭转模态解耦算法得到解耦的弯曲和扭转模态振动信号，具体为：
第一激光探头和第三激光探头检测的信号相减得到柔性铰接板的扭转模态振动信号，
yt(t)＝d1(x1,y1,t)-d2(x2,y2,t)
式中，d1(x1,y1,t)为第一激光探头的测量信号；d2(x1,y1,t)为第三激光探头的测量信号；
所述第二激光探头测得的振动信号作为弯曲模态振动信号。
所述处理得到弯曲和扭转模态振动控制量具体是通过运行模糊快速终端滑模控制策略得到的。
本发明的有益效果：
(1)本发明选用的柔性铰接板由两块柔性板连接而成，尺寸较大，振动特性也接近实际情况，其动力学特性和实际的太空帆板结构更为接近，在此基础上进行振动主动控制研究，更具有实际意义。
(2)本发明采用激光位移传感器检测柔性铰接板的弯曲和扭转模态振动，为非接触式测量，不会对柔性铰接板结构造成负载效应，同时具有精度高、灵敏度大、滞后小等优点；采用压电陶瓷来驱动柔性铰接板的弯曲模态和扭转模态振动，响应迅速、稳定。
(3)本发明使用三套激光位移传感器进行测量，结合弯扭解耦方法，能够实现弯曲模态和扭转模态在测量方面的解耦，同时对弯曲模态和扭转模态驱动器进行优化配置，以及独立设计弯曲模态控制器和扭转模态控制器，能够实现弯曲模态和扭转模态在驱动控制方面的解耦，很好地解决了观测和控制溢出问题。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明的柔性铰接板正面压电陶瓷片示意图；
图3是本发明的柔性铰接板反面压电陶瓷片示意图；
图4是本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-图3所示，一种基于多激光位移传感器的铰接板振动控制装置，包括：
柔性铰接板，由第一柔性板3及第二柔性板5通过第一铰链4及第二铰链10连接构成；所述柔性铰接板一端通过机械支架夹持装置固定称为固定端，另一端为自由端，柔性铰接板的长度为L＝1079mm，宽H＝498mm。
选取第一柔性板3的外伸尺寸(长×宽×厚)为539mm×498mm×2mm，第二柔性板5的几何尺寸(长×宽×厚)为500mm×498mm×2mm，第一柔性板3和第二柔性板5的材料均为环氧树脂，该材料的弹性模量为34.64GPa，密度为1865kg/m3。柔性铰接板的一端通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，该机械支架夹持装置包括矩形柱状支架12和等腰梯形夹板11，等腰梯形夹板用于夹持柔性铰接板。为了使柔性铰接板在振动过程中保持稳定，将矩形柱状支架12通过螺栓固定在基台13上。
弯曲模态驱动器1，包括八片压电陶瓷片，正反两面对称粘贴，每面四片，在柔性铰接板靠近固定端一侧，沿着柔性铰接板宽度方向中线对称布置，双面极性相反且并联连接，每面四片，其中位于宽度中心线上方的两个压电陶瓷片的距离为92mm，下方的两个压电陶瓷片的距离为c＝92mm,靠近中心线的两个压电陶瓷片距离为b＝210mm，压电陶瓷片中心线距离固定端a＝50mm。
扭转模态驱动器2，包括四片压电陶瓷片，正反两面对称粘贴，位于第一柔性板的长度方向中线上，且关于柔性铰接板宽度方向中线对称布置，四片压电陶瓷片每面两片，双面极性相反且并联连接；正反面的信号线反向连接，并且两对压电片的极性相反，以抑制扭转振动。每片压电陶瓷片的尺寸(长×宽×厚)为50mm×15mm×1mm，每面两片压电陶瓷片的距离为n＝420mm，所述扭转模态驱动器2距离弯曲模态驱动器1为m＝220mm。
采用的压电陶瓷片采用压电陶瓷材料，弹性模量为63Gpa，压电应变常量为166pm/V。
激光位移传感器，具体为3个，所述3个激光位移传感器的型号相同，所述3个激光位移传感器包括第一、第二及第三激光位移传感器，均采用日本基恩士(KEYENCE)公司生产，每个激光位移传感器均由一个激光探头、激光位移传感器控制器及一根延长电缆构成，其型号分别为LK-500、LK-2500和LK-C2。激光位移传感器采用24V直流电源供电，重复精度为10um，激光探头和被测表面的基准距离为350mm，测量量程为-100mm～+100mm，对应的模拟输出电压为-10V～+10V，线性度为±0.1％，采样周期为1024us，当被测表面与激光探头之间的距离超过测量范围时，其模拟输出电压都将保持为12V。
还包括第一压电驱动电压放大器、第一D/A转换电路、弯曲模态控制器、计算机、A/D转换电路、扭转模态控制器、第二D/A转换电路、第二压电驱动电压放大器、运动控制卡及定时器；
所述激光位移传感器控制器通过A/D转换电路与计算机连接，所述计算机还包括显示屏，显示屏通过两个窗口分别实时显示弯曲和扭转模态的振动信息。
所述弯曲模态驱动器及扭转模态驱动器分别与第一、第二D/A转换电路连接，所述第一、第二压电驱动电压放大器分别与第一、第二D/A转换电路连接，所述第一D/A转换电路与弯曲模态控制器连接，所述第二D/A转换电路与扭转模态控制器连接，所述计算机分别与弯曲模态控制器及扭转模态控制器连接。
三个激光位移传感器安装在柔性铰接板自由端正面前方的支架9上，第一激光探头6和第三激光探头8的测量位置为柔性铰接板自由端的两个角，关于宽度方向中心线对称，因此，对于扭转模态振动，两激光传感器测得的信号大小相同，方向相反，如果将两激光传感器的测量信号相减，弯曲振动信号将消失，所得之差为柔性铰接板的扭转振动信号。第二激光探头7的测量位置位于柔性铰接板自由端的宽度方向中心线上，所测得的信号为不包含扭转模态振动信号的弯曲模态振动信号。第一激光探头6、第二激光探头7和第三激光探头8可以在支架9的槽中上下移动来调整竖直方向的测量位置。
将第二激光探头7测得的信号作为柔性铰接板的弯曲模态振动信号，将第一激光探头6和第三激光探头8测得的信号经解耦方法处理后的信号作为柔性铰接板的扭转模态振动信号，解耦方法具体为：
将第一激光探头和第三激光探头检测到的信号相减，得到柔性铰接板的扭转模态振动信号。
yt(t)＝d1(x1,y1,t)-d2(x2,y2,t)
式中，d1(x1,y1,t)为第一激光探头的测量信号；d2(x1,y1,t)为第三激光探头的测量信号。
在振动控制过程中，模糊快速终端滑模控制策略产生的控制电压范围为-5V～+5V，不足以使压电驱动器产生足够的驱动力来抑制柔性铰接板的振动。因此，本实施例采用了一个双通道压电驱动电压放大器来将小幅值的控制电压放大52倍至-260V～+260V，然后将放大后的控制电压施加到压电驱动器上，以产生足够的驱动力来控制柔性铰接板的振动。该压电驱动电压放大器采用型号为APEX PA240CX的芯片，直接直流供电。
如图4所示，应用上述装置的柔性铰接板振动测量与控制方法，包括如下步骤：
(1)开启计算机、激光位移传感器和压电驱动电压放大器，进行参数初始化，包括运动控制卡配置和定时器设置；
(2)采用激振力锤激励起柔性铰接板的低频弯曲和扭转模态振动，第一、第二及第三激光探头检测到相应测量点的振动信号，并将振动信号传送至激光位移传感器控制器，振动信号再经A/D转换电路转换成数字信号后传输至计算机；
(3)计算机运行弯曲和扭转模态解耦算法得到解耦的弯曲和扭转模态振动信号，在显示器上通过两个窗口分别实时显示弯曲和扭转模态的振动信息，对解耦后的弯曲和扭转模态振动信号进行移相、滤波处理后，运行模糊快速终端滑模控制策略得到弯曲和扭转模态振动控制量，模糊快速终端滑模控制策略是将模糊逻辑控制和滑模控制相结合；
(4)弯曲和扭转模态振动控制量经D/A转换电路转换为模拟信号，再经压电驱动电压放大器放大后作用于弯曲模态驱动器和扭转模态驱动器，同时进行弯曲和扭转模态振动控制；
(5)施加控制策略后，通过显示器实时显示弯曲和扭转模态振动控制效果，并记录存储数据进行分析；
(6)定时结束后，重复步骤(2)～(5)，并根据振动控制效果的观测存储数据的分析，反复调整控制算法的参数进行试验，直到获得良好的控制效果。
针对柔性铰接板的低频振动为弯曲模态和扭转模态相互耦合的振动这一问题，采用三套激光位移传感器进行测量，将其中一套激光位移传感器的测量信号作为弯曲模态振动信号，而对另外两套激光位移传感器的测量信号进行弯扭解耦方法处理后得到扭转模态振动信号，实现了弯曲模态和扭转模态振动在检测上的解耦；采用压电陶瓷作为弯曲模态和扭转模态驱动器，对压电驱动器进行优化配置实现了弯曲模态和扭转模态在驱动控制方面的解耦；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振动和控制信号实时显示、控制器运行和控制输出。通过压电驱动电压放大器驱动压电驱动器控制弯曲和扭转模态振动，从而实现了振动主动控制的目的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于多激光位移传感器的铰接板振动控制装置，其特征在于，包括
柔性铰接板，由第一柔性板及第二柔性板通过铰链连接构成，所述柔性铰接板一端通过机械支架夹持装置固定称为固定端，另一端为自由端；
弯曲模态驱动器，包括多片压电陶瓷片，安装在柔性铰接板正反两面，且靠近固定端一侧，沿着柔性铰接板宽度方向中线对称布置，双面极性相反且并联连接；
扭转模态驱动器，包括多片压电陶瓷片，安装在第一柔性板的正反两面，位于第一柔性板的长度方向中线上，且关于柔性铰接板宽度方向中线对称布置，双面极性相反且并联连接；
激光位移传感器，具体为3个，位于柔性铰接板自由端的正面前方，均由激光探头和激光位移传感器控制器构成，所述激光探头与激光位移传感器控制器连接；
还包括第一压电驱动电压放大器、第一D/A转换电路、弯曲模态控制器、计算机、A/D转换电路、扭转模态控制器、第二D/A转换电路及第二压电驱动电压放大器；
所述激光位移传感器控制器通过A/D转换电路与计算机连接；
所述弯曲模态驱动器及扭转模态驱动器分别与第一、第二压电驱动电压放大器连接，所述第一、第二压电驱动电压放大器分别与第一、第二D/A转换电路连接，所述第一D/A转换电路与弯曲模态控制器连接，所述第二D/A转换电路与扭转模态控制器连接，所述计算机分别与弯曲模态控制器及扭转模态控制器连接。
2.根据权利要求1所述的铰接板振动控制装置，其特征在于，第一激光探头及第三激光探头位于柔性铰接板自由端的两个角，且关于柔性铰接板宽度方向中线对称，第二激光探头位于柔性铰接板宽度方向中线上。
3.根据权利要求1所述的铰接板振动控制装置，其特征在于，所述弯曲模态驱动器由八片压电陶瓷片构成，每面四片；所述扭转模态驱动器由四片压电陶瓷片构成，每面两片。
4.根据权利要求1所述的铰接板振动控制装置，其特征在于，还包括支架，所述激光探头安装在支架上，并在支架上纵向滑动。
5.根据权利要求1所述的铰接板振动控制装置，其特征在于，还包括运动控制卡及定时器，所述运动控制卡及定时器分别与计算机相连接。
6.应用权利要求1-5任一项所述的铰接板振动控制装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
开启计算机、激光位移传感器及压电驱动电压放大器，进行参数初始化；
采用激振力锤激励起柔性铰接板的低频弯曲和扭转模态振动，第一、第二及第三激光探头检测到相应测量点的振动信号，并将振动信号传送至激光位移传感器控制器，振动信号再经A/D转换电路转换成数字信号后传输至计算机；
计算机运行弯曲和扭转模态解耦算法得到解耦的弯曲和扭转模态振动信号，处理得到弯曲和扭转模态振动控制量；
将弯曲和扭转模态振动控制量经D/A转换电路转换为模拟信号，再经压电驱动电压放大器放大后作用于弯曲模态驱动器和扭转模态驱动器，同时进行弯曲和扭转模态振动控制。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，计算机运行弯曲和扭转模态解耦算法得到解耦的弯曲和扭转模态振动信号，具体为：
第一激光探头和第三激光探头检测的信号相减得到柔性铰接板的扭转模态振动信号，
yt(t)＝d1(x1,y1,t)-d2(x2,y2,t)
式中，d1(x1,y1,t)为第一激光探头的测量信号；d2(x1,y1,t)为第三激光探头的测量信号；
所述第二激光探头测得的振动信号作为弯曲模态振动信号。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述处理得到弯曲和扭转模态振动控制量具体是通过运行模糊快速终端滑模控制策略得到的。
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