CN109353546A - 一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置，属于航天器结构技术领域，该装置包括航天器，航天器连接有展开臂，展开臂上设置有执行机构；展开臂末端连接环形桁架结构，环形桁架结构上设置有索网反射面；环形桁架结构一端还通过拉线与执行机构连接；执行机构还连接有控制模块；本发明还公开了其控制方法，该方法基于拉力反馈原理，利用电机转子转动切割磁感线产生的感应电流作为反馈的电机，不需要使用其他传感器数据作为反馈，不需要已知系统模型，容易控制，在系统状态发生变化时仍然能够有效地抑制空间大型环形桁架天线结构的振动，鲁棒性好。
Description
技术领域
本发明属于航天器结构技术领域，具体涉及一种利用电机及拉线实现抑制空间大型环形桁架天线结构振动的装置及控制方法。
背景技术
空间大型环形桁架结构展开锁定后的直径可达10米以上，具有空间尺度大、阻尼小、振动频率低、模态密集等特征。空间大型环形桁架结构一旦受到干扰，则易于激发低频振动，加上没有空气阻尼，振动一旦发生则很难在很短的时间内衰减掉，影响天线的正常工作。使用拉线作为一种注入阻尼的方式，可以在不增加重量，保证系统构型和可靠性的同时很好地抑制振动。
André Preumont和Frédéric Bossens对桁架结构的振动抑制进行了拉线主动控制研究，分别使用开环、末端主动控制、拉线主动控制和末端+拉线主动控制策略进行比较；Shahin Nudehi对柔性梁使用倾斜的拉线末端控制力来减小振动。但以上控制方法全部都是基于已知结构的动力学模型来进行控制，当结构的动力学特性发生改变时，系统将无法及时地修正过来。国内学者对大型空间柔性结构的振动控制开展了一定的研究。但是，针对现有的空间大型环形桁架天线结构振动控制方法的研究中忽略结构高阶模态、抗干扰能力差、附加质量较大、控制系统鲁棒性不高，并且需要事先已知结构动力学和控制系统模型等的缺点。因此，研究如何通过拉线控制的方法来减缓环形桁架结构振动，也具有重要的理论和现实意义。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种利用电机及拉线实现抑制空间大型环形桁架结构振动的装置及控制方法，该装置及控制方法基于拉力反馈原理，保证了大型结构在受到突然冲击时快速回到原平衡位置并保持静止的能力，本发明装置不需要已知系统模型，容易控制，鲁棒性好，解决了现有技术存在的问题。
本发明是这样实现的：
本发明公开了一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置，包括航天器，该航天器连接有展开臂，展开臂上固定设置有执行机构；展开臂末端连接环形桁架结构，环形桁架结构上设置有索网反射面；环形桁架结构一端还通过拉线与执行机构连接，所述的拉线保持拉紧状态；执行机构通过数据传输线连接控制模块。
进一步，所述的执行机构包括电机卷线轴、电机和电机驱动器，所述的拉线的一端缠绕在电机卷线轴上，另一端与环形桁架结构连接。
进一步，通过电机使拉线张紧产生拉力以及通过电机测量电机转子角速度；电机把测量到的电机转子角速度的数值，通过数据传输线传递给控制模块；控制模块根据转子角速度数值，计算此时需要输出给电机的电流大小，并通过数据传输线传递给电机驱动器；电机驱动器根据接收到的数据产生电流，电流流过电机从而控制拉线上的拉力，通过执行机构上部件的数据传输，缠绕在卷线轴上的拉线，从而有效控制环形桁架天线结构的振动。本发明中的结构可以是大型可展开式天线结构。
本发明还公开了一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置的控制方法，方法步骤如下：
步骤一：当大型结构相对于平衡位置振动时，由于拉线是拉紧的，电机卷线轴也会随着大型结构的振动而顺时针或逆时针旋转，而且大型结构振动在远离平衡位置时，电机卷线轴旋转的方向与大型结构靠近平衡位置时旋转的方向相反；测得电机实时反馈给控制模块的角速度ω。根据结构的振动状态实时在线调节拉线拉力,从而给系统注入阻尼,达到抑制振动效果。大型结构振动时，当结构远离平衡位置时，ω为正，反之ω为负
步骤二：判断ω的正负；
1)若为正，控制模块计算出此时需要输出给电机的电流Iout，公式如下：
Iout＝Imax-I0e-βω
式中，β为电机的性能系数，根据不同的电机，此处的系数采用不同的数值。
Imax是电机能承载的最大电流；
2)若为负，此时需要输出给电机的电流：
Iout＝Imax-I0
此时电机使拉线保持拉紧状态而不松弛，其中I0＜Imax。
进一步，抑制空间大型环形桁架结构振动的装置的控制方法原理如下：
当拉线由于大型结构振动远离平衡位置而被拉伸时，电机驱动器通过接受来自控制模块的数值，施加给电机对应大小的电流；电机对电机转子施加与电机转子转动方向相反的力矩，从而对拉线施加与拉线伸长方向相反的拉力；
在振动的半个周期内，环形桁架结构受到与运动方向相反的拉力，从而振动被抑制；而在另外半个周期内，由于拉线不能提供压力，所以在该时间内，电机仅施加一个微弱的力矩，使得拉线保持拉紧的状态。
进一步，电机每隔0.02秒就测量一次转动角速度，电机驱动器1秒钟内给电机输出50个不同大小的直流电流。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
1)本发明装置的结构简单，相比现有的压电作动器法(在展开臂3上贴几十个压电陶瓷材料、控制系统需要同时控制这些压电陶瓷上的电压)来而言，本发明装置只要一根拉线、一个电机和一个配套的控制模块即可，耗能少、附加重量轻、体积小、可靠性高；
2)本发明的装置及控制方法与基于压电作动器的振动控制方法相比，并不需要提前知道被控制的结构的具体参数和形状，具有适用范围广的优点，而且在系统状态发生变化时仍然能够有效地抑制空间大型环形桁架天线结构的振动；
3)本发明的装置及控制方法与基于压电作动器的振动控制方法相比，后者在振动频率比较高(10Hz以上)的效果显著，而对于低频(5Hz以下)抑制振动的效果不明显。考虑到空间大型环形桁架结构的固有频率普遍在2Hz以下，本发明的装置及控制方法更具有实用性。
附图说明
图1为本发明一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置的结构示意图；
图2为本发明一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置的控制方法流程图；
图3为本发明实施例中振动控制以及自由振动两种状态下的振动衰减情况；
图4为本发明实施例中振动控制以及自由振动两种状态下的振动在频域的比较；
其中，1-环形桁架结构，2-索网反射面，3-展开臂，4-执行机构，41-电机卷线轴，42-电机，43-电机驱动器，5-航天器，6-拉线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，图1为本发明一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置的结构示意图，该装置包括索网反射面2、环形桁架结构1、航天器5、展开臂3、执行机构4、控制模块以及拉线6；执行机构4包括电机卷线轴41、电机42和电机驱动器43；拉线6的一端缠绕在电机卷线轴41上，另一端与环形桁架结构1连接。电机42具备使拉线6张紧产生拉力以及测量电机转子角速度大小的功能。电机42把测量到的电机转子角速度的数值，通过数据传输线传递给控制模块；控制模块根据转子角速度数值，计算此时需要输出给电机42的电流大小，并通过数据传输线传递给电机驱动器43；电机驱动器43根据接收到的数据产生电流，电流流过电机42从而控制拉线6上的拉力。
抑制空间大型结构振动的原理如下：
本发明基于拉力反馈原理，当拉线由于振动而被拉伸时，电机通过施加反向的电流，产生与电机转子转动方向相反的力矩，对拉线施加反向的拉力，保证了大型结构在受到突然冲击时快速回到原平衡位置并保持静止的能力。
当拉线6由于环形桁架结构1的振动而被拉伸时，电机42通过产生与电机42转子转动方向相反的力矩，对拉线施加反向的拉力。电机42转动的角速度与转子切割磁感线产生的感应电流成正比，所以电机42可以对转子的转动角度进行测量，当感应电流变大时，说明电机正转；反之反转。
在振动的半个周期内，环形桁架结构1受到与运动方向相反的拉力，从而振动被抑制了；而在另外半个周期内，由于拉线6不能提供压力，所以在该时间内，电机仅仅施加一个微弱的力矩，使得拉线保持拉直的状态，不至于过于松弛。输出的反向电流与电机转动角速度有关。电机42每隔0.02s就测量一次转动角速度，转动角速度的大小反映了环形桁架天线结构瞬时的振动速度。一般而言，感应电流越大，说明所需要施加给电机转子的电流也越大。
如图2所示，采用本发明的装置，实现抑制空间大型环形桁架天线结构振动的方法，包括以下步骤：
第一、初始状态时本发明的大型结构相对于平衡位置振动时，获得所述电机42实时反馈给控制模块的电流ω，这里假设所述大型结构振动时远离平衡位置时ω为正，反之为负，这取决于所述拉线在电机42的转子上的绕向。
第二、判断ω的正负，若为正，利用存储在控制模块中的方法，计算出此时需要输出给电机42的电流ω，此时ω的计算方法可以根据如下公式计算：
Iout＝Imax-I0e-βω
本实施例中采用的电机性能系数β＝0.003。Imax＝1.5A是电机能输出的最大电流；若为负，Iout等于Imax-I0，其中I0设为0.8Imax。
在搭建实验装置中，如表1所示，选用直径8mm长度120cm的铝合金棒24根，组成两个正12边形框架，然后用直径8mm长度130cm的铝合金棒12根、直径8mm长度50cm的铝合金棒12根连接两个正12边形框架，组成图中的环形桁架结构1；展开臂3由两根长150cm宽10cm厚1cm的铝合金梁末端垂直连接，拼成一个“L”形；展开臂3一端与环形桁架结构1的底部固定，另一端与墙面固定；选用凯夫拉编织线作为拉线6，连接电机卷线轴41与环形桁架结构1,其中拉线6的一端固定在环形桁架结构1的边框节点上；整个执行结构4置于展开臂3上远离环形桁架结构1的一侧，距离墙面90cm；电机42与12V直流电源相连；电机驱动器43通过串口通道连接控制模块，控制模块为一台微型计算机，实现抑制空间大型环形桁架天线结构振动的方法由微型计算机完成；微型计算机还连接一台双目相机，通过双目相机传输回来的图像，实时计算环形桁架结构1与双目相机的距离，从而推算出振幅大小。
表1
| 类型 | 数量 | 规格 |
| 铝合金棒1 | 24根 | 直径8mm长度120cm |
| 铝合金棒2 | 12根 | 直径8mm长度130cm |
| 铝合金棒3 | 12根 | 直径8mm长度50cm |
| 铝合金梁 | 2根 | 长150cm宽10cm厚1cm |
| 电机+电机驱动器+卷线轴 | 1套 | 定制 |
| 拉线 | 1根 | 凯夫拉编织线，2米 |
| 双目相机 | 1台 | ZED STEREO |
| 微型计算机 | 1台 | ThinkPad E480 |
| 直流电源 | 1台 | 12V |
实验步骤：实验时采用锤击法使环形桁架结构1振动起来，模拟真实太空环境下，大型环形桁架结构遭受太空碎片冲击后振动的效果。将质量为5kg的锤子用凯夫拉线悬挂在空中，静止状态下锤子的锤击部位与环形桁架结构1的边框刚好不接触，然后像单摆一样，把锤子拉升到和单摆最低点垂直方向距离50cm处释放，撞击环形桁架结构1；第一次撞击完成后，立刻用手握住锤子，防止第二次撞击。释放锤子前，打开双目相机和电机的电源开关，开始记录数据和拉线拉力控制；振动停止后，停止记录实验数据并保存，关闭电源开关。
在实验时，把拉线6松弛且电机不通电的状态称为自由振动状态，把拉线6张紧且执行机构4按照本发明所述方法控制电机42的状态称为振动控制状态。
使用双目相机测量环形桁架结构1受到撞击后的振动振幅；分别对自由振动状态和振动控制状态，重复上述实验步骤多次，采集振幅的数据，对数据进行时域的降噪处理和频域的傅里叶变换，对比不同状态下的现象。实验的数据分析及其结论如下：
图3描述了两种状态下的振动衰减情况。振动控制状态在本专利所述的方法作用下，相比自由振动状态有较大的衰减，具体表现为：从撞击发生的那一刻到振动停止时所用的时间，振动控制状态的用时(约23秒)几乎是自由振动状态的(约45秒)一半；对突然的撞击，振动控制状态下最大振幅(0.068米)比自由振动状态的最大振幅(0.1米)减小47％，过大的振幅容易使结构产生裂纹和塑性变形，破坏结构的原始形状，甚至导致结构破损。
图4描述了两种状态下的振动在频域的不同之处。从自由振动状态下的频域图可以看出，此时振动不仅频率高(1.125Hz)，而且能量大而集中，过高的能量和频率容易使结构产生疲劳破坏，使部分仪器受损。对比振动控制状态，此时的振动频率集中在0.85Hz，且相比自由振动状态，频率分布比较均匀，峰值能量仅仅只有自由振动状态下的36％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置，包括航天器(5)，其特征在于，所述的航天器(5)连接有展开臂(3)，所述的展开臂(3)上固定设置有执行机构(4)；所述的展开臂(3)末端连接环形桁架结构(1)，所述的环形桁架结构(1)上设置有索网反射面(2)；所述的环形桁架结构(1)一端还通过拉线(6)与执行机构(4)连接，所述的拉线(6)保持拉紧状态；所述的执行机构(4)通过数据传输线连接控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置，其特征在于，所述的执行机构(4)包括电机卷线轴(41)、电机(42)和电机驱动器(43)，所述的拉线(6)的一端缠绕在电机卷线轴(41)上，另一端与环形桁架结构(1)连接。
3.根据权利要求2所述的一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置，其特征在于，通过电机(42)使拉线(6)张紧产生拉力以及通过电机(42)测量电机转子角速度；电机(42)把测量到的电机转子角速度的数值，通过数据传输线传递给控制模块；控制模块根据转子角速度数值，计算此时需要输出给电机(42)的电流大小，并通过数据传输线传递给电机驱动器(43)；电机驱动器(43)根据接收到的数据产生电流，电流流过电机(42)从而控制拉线(6)上的拉力。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置的控制方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：当大型结构相对于平衡位置振动时，由于拉线(6)是拉紧的，电机卷线轴(41)也会随着大型结构的振动而顺时针或逆时针旋转，而且大型结构振动在远离平衡位置时，电机卷线轴(41)旋转的方向与大型结构靠近平衡位置时旋转的方向相反；测得电机(42)实时反馈给控制模块的角速度ω，假设大型结构振动时远离平衡位置时ω为正，反之为负；
步骤二：判断ω的正负；
1)若为正，控制模块计算出此时需要输出给电机(42)的电流Iout，公式如下：
式中，β为电机的性能系数，Imax是电机能承载的最大电流；
2)若为负，此时需要输出给电机(42)的电流：
Iout＝Imax-I0
此时电机使拉线保持拉紧状态而不松弛，其中I0＜Imax。
5.根据权利要求4所述的一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置的控制方法，其特征在于，其具体控制如下：
当拉线(6)由于大型结构振动远离平衡位置而被拉伸时，电机驱动器(43)通过接受来自控制模块的数值，施加给电机(42)对应大小的电流；电机(42)对电机转子施加与电机转子转动方向相反的力矩，从而对拉线(6)施加与拉线伸长方向相反的拉力；
在振动的半个周期内，环形桁架结构(1)受到与运动方向相反的拉力，从而振动被抑制；而在另外半个周期内，由于拉线(6)不能提供压力，所以在该时间内，电机(42)仅施加一个微弱的力矩，使得拉线(6)保持拉紧的状态。
6.根据权利要求5所述的一种抑制空间大型环形桁架结构振动的装置的控制方法，其特征在于，电机每隔0.02秒就测量一次转动角速度，电机驱动器(43)1秒钟内给电机(42)输出50个不同大小的直流电流。
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| CN109353546B (zh) | 2021-10-01 |
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