[发明专利]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

说明书

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。