[发明专利]基于加速度传感器的挠性悬臂板振动控制装置与控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及大型柔性结构振动控制，特别是涉及一种太空帆板结构的弯曲和扭转振动多模态主动控制方法和装置，具体涉及一种基于多加速度传感器进行感知和压电驱动器进行多模态控制的振动控制非线性控制方法和装置。

背景技术

大型复杂和柔性化是航天器结构的一个重要发展趋势。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，另一方面，由此带来的振动问题越来越突出，这类大型柔性结构的模态阻尼小，高阶且低频密集，特别在太空运动中，存在环境扰动条件下，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到航天器姿态的稳定和定向精度，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。特别在太空条件下，挠性结构更加难以控制，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，尤其是需要精确地控制其位置和指向。

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，抑制挠性结构的振动。黄文虎等在《力学进展》，1997，27(1)：5～16上发表的“航天柔性结构振动控制的若干新进展”指出：压电材料非常适合航天器结构的需要，压电材料在今后智能结构形状和振动控制的研究与工程应用中占有极重要的地位。该专利的发明人邱志成在《航天控制》，2002，20(4)：8～15发表的“智能结构及其在振动主动控制中的应用”中对大型挠性结构控制的意义和目的以及智能结构在振动主动控制中的应用进行了综述。在检测振动的传感器中，除了应变式传感器外，“点式”加速度传感器通过检测结构安装点的加速度信号反映振动，加速度传感器质量小，易安装，并且频带较宽，利用加速度传感器反馈控制可在较宽频带范围增加系统的主动阻尼，增强鲁棒性并抑制挠性机器人或挠性结构的振动。由于加速度传感器含有大量的高频噪声信号，因此要进行滤波处理。从现有研究的文献看，基于加速度传感器反馈的柔性机械臂或者挠性悬臂梁研究较多，这都是一维柔性梁的弯曲振动控制，对于基于加速度传感器的二维板的振动检测研究中，尺寸比较小，振动频率较高，一般在几十赫兹以上，比太阳帆板及板型天线的频率高得的很多，不能用它来模拟太阳帆板，或者考虑扭转振动控制的相对较少，总体而言，离航天器应用的实际需要还有很大的距离。并且，大型挠性板结构的低阶模态的振动包括弯曲和扭转模态振动，现有文献中通过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没有很好地解决，容易带来观测和控制“溢出”问题。现有振动主动控制方法有基于带通滤波器的PID控制，正位反馈控制(PPF)，最优控制(LQR和LQG)，鲁棒控制，滑模变结构控制法，利用零极点特性的零极点配置方法，机动过程振动抑制的“输入成形”(Input Shaping)控制方法，模糊控制及神经网络控制方法等。为了解决建模和快速控制问题，吴宏鑫等在《宇航学报》2002，23(11)：19～26发表的“非线性黄金分割自适应控制”中给出了一种基于特征模型的黄金分割非线性自适应控制策略。虽然对振动控制取得了长足的进步，但就加速度传感器反馈的大型挠性悬臂板控制试验及应用还存在如下问题没有很好地解决：

(1)基于加速度传感器在挠性悬臂板的优化配置，实现悬臂板振动的弯曲和扭转模态的检测的解耦问题；

(2)由于加速度传感器信号包含大量的测量噪声，所以基于加速度传感器的反馈控制的信号滤波处理问题；并且加速度传感器和压电驱动器一般异位配置，这样会带来各阶模态相位差不同的补偿问题，闭环控制的鲁棒稳定性问题；

(3)控制算法对非线性因素的补偿问题，快速振动的抑制问题，尤其是平衡点附近小幅值的残余振动很难控制；现有控制方法要么对模型的精确性要求很高，否则性能会受到非常大的影响，要么计算量大，实际应用的硬件实时实现问题是实时性不好。尤其是基于加速度传感器反馈实现挠性悬臂板的振动快速抑制和稳定性问题，没有很好地解决。

针对上述问题，需要对基于加速度传感器的挠性悬臂板的振动控制方法进行深入的研究，包括异位配置的加速度传感器实现弯曲和扭转振动模态的解耦，信号滤波处理和相位补偿，和控制算法等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、控制稳定的基于加速度传感器的智能柔性太空帆板结构弯曲和扭转模态振动主动控制装置。

本发明的另一目的在于提供利用上述装置的控制方法。