基於形態感知的太空帆板結構低模態振動主動控制方法與裝置的製作方法

2023-09-19 18:15:45

專利名稱：基於形態感知的太空帆板結構低模態振動主動控制方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種太空帆板結構低模態振動主動控制方法和裝置，特別涉及一種基於結構振動形態信息感知的太空帆板結構低模態振動主動控制方法與裝置。
背景技術：
由於太陽能帆板、大型衛星天線等空間柔性結構，需要在長期運行期間保持很高的運行精度，通常對振動環境有著極為嚴格的要求，而這類結構一般具有低剛度小阻尼，固有頻率較低和模態密集的特徵，同時太空環境又無外阻，因此極易受到擾動影響而發生振動，且使得絕大數常規振動監測與控制方法難以達到技術要求。如太空飛行器在太空運行時，一旦受到機動、摺疊結構展開等因素激勵，或受到宇宙風、微粒子流等外擾作用產生振動，如果不採取有效的振動監測與抑振措施，其大幅度的振動要延續很長時間，不僅影響到柔性結構本身的工作性能，而且通過與主體的耦合作用，進而可產生影響太空飛行器的姿態穩定和定向精度問題；長期和強烈的振動還將造成結構疲勞破壞，導致系統性能下降甚至失效，直接威脅航天結構的安全。因此研究大型柔性航天結構的振動監測與控制問題，歷來是航空航天技術發展中的一個重要領域和難點課題，美國國家研究理事會在《新世紀太空技術》報告中，就將「在失重條件下使各種柔性結構、天線和望遠鏡保持穩定」列為影響太空探索的六大關鍵技術之一。
現有技術中，研究用於太空帆板結構振動主動控制的驅動材料中，壓電材料PZT/PVDF的研究應用可以認為是最具代表性的成果，壓電材料由於存在正逆壓電效應，用作驅動器時，具有低功耗、電操作、頻帶寬和力由自身內部產生的特點，因此非常適合航空航天結構監測與控制的需要，但壓電材料的不足是作為驅動器時輸出力矩不夠大，因此其對高頻振動進行控制可以達到較好的效果，而對於結構低模態大幅度的振動響應，則控制效果卻不甚明顯。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於結構振動形態信息感知的太空柔性帆板結構低模態振動主動控制方法與裝置，本發明不受電磁幹擾影響，提高了檢測穩定性，具有較高的檢測精確度和振動形態重建優越性。
為達到上述目的，本發明採用下述技術方案一種基于振動形態感知的太空帆板結構低模態振動主動控制方法，其特徵是利用分布植入式光纖光柵傳感網絡對帆板結構的振動形態進行實時感知，並根據感知獲得的結構振動信息產生控制策略，通過控制驅動單元產生控制動作以驅動形狀記憶合金彈簧組，利用SMA彈簧的形狀記憶效應和超彈性效應，實現帆板結構振動響應的抵消和振動能量的消耗，從而實現消除或降低結構振動響應的目的。
上述的控制策略是在結構振動形態感知的基礎上形成的分布植入光纖光柵傳感網絡感知太空帆板結構表面離散測量點的應變變化，此數據由光纖光柵網絡信號分析儀通過軟體實時提取並轉化為曲率信息，此後基於開發的測控軟體利用曲率信息空間曲面擬合算法，擬合計算出曲面上各點位置坐標，一方面在計算機屏幕上三維重建顯示帆板結構振動形態，另一方面產生振動主動控制策略，並通過計算機接口發送給SMA(形狀記憶合金)彈簧驅動模塊，此模塊根據接收到的控制策略和命令，生成控制信號驅動SMA彈簧組，進而產生控制力，以達到減小或消除結構振動水平的目的。
一種基於結構低模態振動形態感知的太空帆板振動主動控制方法，採用上述裝置進行檢測與控制，至少需要以下幾個步驟1.帆板結構振動形態的實時感知本發明通過分布式光纖光柵傳感網絡對結構振動狀況進行檢測，這種方式通過感知帆板表面應力的變化，由所開發的測控軟體獲得光柵傳感器反饋的波長信息，然後將其轉化為曲率值，並通過插值使其連續化，之後利用一定的平面曲線擬合算法擬合帆板上各條曲線，並通過合成獲得空間曲面上各點的位置信息，利用軟體不斷調用檢測過程，以實現太空柔性帆板結構振動形態的實時感知。
2.控制策略的生成首先確定形狀記憶合金SMA彈簧組所布置的位置，然後在測控軟體平臺環境下根據此位置搜索出其對應的曲率，根據曲率Q生成相應的控制信息。具體過程為設定曲率閾值為m，如果Q＞m並且正在減小，則布置在此點反面的記憶合金彈簧通電；反之，如果Q＜-m並且正在增加，則布置在此點正面的記憶合金彈簧動作。通過試驗設定每次通電的最佳時間，利用合金彈簧的形狀記憶特性和超彈性效應作為結構振動響應抵消器和耗能器，實現主動抑制帆板結構的低模態大幅度振動響應。
3.驅動控制模塊驅動控制模塊主要是利用較為成熟的單片機控制技術，實現控制策略的接收和處理，主要包括基於C51系列單片機的測控單元、串口通訊單元、繼電器驅動單元以及電路保護單元。控制策略通過串口接受，然後利用程序對控制策略進行解析，根據解析結果實現控制模塊上繼電器的狀態控制，從而實現控制信號的輸出。
4.大功率低壓電源驅動SMA彈簧組產生控制動作要產生足夠強的驅動能力，SMA彈簧必須加載足夠大的驅動電流，一般為3-5A，考慮到SMA彈簧阻值較小，因此需選擇低壓大功率電源作為控制系統能量供給模塊，並以驅動控制模塊的繼電器為開關，通過開關的狀態決定SMA彈簧是否動作，從而產生控制動作。
一種上述的基于振動形態感知的太空帆板結構低模態振動主動控制方法所採用的裝置，包括一臺計算機和一臺顯示器，其特徵在於有一塊懸臂式固定安裝的太空柔性帆板結構的表面上植入離散光纖光柵傳感網絡，並固定一組SMA彈簧組；所述的光纖光柵傳感網絡經一個光纖光柵網絡信號分析儀連接所述的計算機；所述的計算機的一路輸出連接到所述的顯示器，而另一路輸出連接到一個驅動控制模塊；所述的驅動控制模塊控制一個低壓大功率開關電源接通所述的SMA彈簧組。
本發明由於採用了以上方法和裝置，使之與現有技術相比，具有以下明顯的顯著優點和突出實質性特點
1.由於採用了分布式光纖光柵網絡，傳感器易於與基體集成，不受電磁幹擾影響，耐腐蝕，並且採用植入式傳感器布置方式，大大提高了結構振動信息檢測的穩定性。
2.由於分布式光纖光柵傳感網絡直接獲取帆板結構表面應變信息，再通過一定的算法獲得帆板結構振動形態信息，不僅具有很高的檢測精確度和結構振動形態重建優越性，而且離散分布的信息檢測點使檢測數據量大大較小，從而降低了傳感網絡的複雜度，使大量的數據處理過程集中在軟體的算法中，增加了系統的可維護性。
3.採用SMA彈簧組作為結構振動響應的主動控制驅動器，可以產生較大的驅動力以滿足控制要求。通過對帆板結構低模態振動特性進行分析，合理確定SMA彈簧組的最佳布局方案，同時施以合理的控制策略，可以產生較好的控制效果。


圖1為本發明的太空帆板結構低模態振動主動控制裝置結構示意圖。
圖2為系統軟體流程圖。
圖3為驅動控制模塊程序流程圖。
圖4為SMA彈簧組實物照片圖。
圖5為系統結構實物照片圖。
圖6為結構振動響應控制效果圖。
具體實施例方式
本發明的一個優選實施實例結合

如下參見圖1，本太空柔性帆板結構的低模態振動主動控制裝置，由太空柔性帆板結構①(已植入離散光纖光柵傳感網絡②、已固定SMA彈簧組⑧)，光纖光柵網絡信號分析儀③，一臺計算機④，一臺顯示器⑤，驅動控制模塊⑥和大功率低壓開關電源⑦組成，其系統組成實物圖見圖5。選用環氧樹脂板作為模擬太空柔性帆板結構模型，植入式離散光柵傳感網絡接入到光纖光柵網絡信號分析儀相應的接口上，然後由所開發的測控軟體進行檢測信息的提取和處理。軟體的處理流程如圖2所示，具體過程如下1.系統初始化，獲取各種資源的操作權，為下一步的數據採集做好準備。
2.調用光纖光柵網絡信號分析儀提供的API函數，提取儀器所檢測到的光柵傳感器波長數據。
3.依據光纖光柵的基本原理和光柵的植入方式，將波長數據轉化為相應曲率數據，並根據一定的插值算法進行曲率插值使其連續化。
4.擬合帆板上各條曲線，並通過合成得到帆板結構表面大量點集的位置坐標。
其中曲線擬合的過程是設第n、n+1個點的曲率分別為ρn，ρn+1；斜率分別為kn，kn+1；坐標為(xn，yn)，(xn+1，yn+1)；兩點斜率對x軸的夾角分別為θn，θn+1；Δθn為兩點切向角的變化值；Δsn為兩點之間的弧長；如圖2所示，存在以下關係n=arctg(kn)n+1=arctg(kn+1)n=n+1-nn=nsn]]>由上式得n=arctg(kn+1)-arctg(kn)sn]]>所以kn+1＝tg[ρn·Δsn+arctg(kn)]即只要給定邊界條件，就可以遞推出各點的斜率，並在此基礎上遞推出各點坐標x=sn1+kn2]]>y=knx=knsn1+kn2]]>由此可得xn+1=xn+x=xn+sn1+kn2yn+1=yn+y=yn+knsn1+kn2]]>根據上式可以遞推平面曲線上各點的坐標值。
5.將擬合結果在計算機上顯示，利用OpenGL技術重建帆板結構的三維實時振動形態。
6.利用擬合結果生成判斷準則和控制策略，並將控制策略和命令發送給控制模塊。
7.由控制模塊驅動SMA彈簧組動作，實現結構振動響應的抵消和振動能量的消耗。
8.再次採集數據，如此循環實現實時連續動態控制。
上述第6步將控制策略發送給控制模塊後，控制模塊將解析這些信息從而產生控制動作。驅動控制模塊是控制動作的生成機構，起著重要的作用，其軟體程序的流程圖見圖3所示。
控制的執行單元是SMA彈簧組，其實物圖見圖4，結構表面的正反兩面布置。
在上述裝置正確連接和軟體系統正確運行的情況下，對柔性模擬太空帆板結構的自由振動響應進行了控制實驗，取得了良好的控制效果，實驗結果見圖6。
權利要求
1.一種基于振動形態感知的太空帆板結構低模態振動主動控制方法，其特徵是利用分布植入式光纖光柵傳感網絡對帆板結構的振動形態進行實時感知，並根據感知獲得的結構振動信息產生控制策略，通過控制驅動單元產生控制動作以驅動形狀記憶合金彈簧組，利用SMA彈簧的形狀記憶效應和超彈性效應，實現帆板結構振動響應的抵消和振動能量的消耗，從而實現消除或降低結構振動響應的目的。
2.根據權利要求1所述的基于振動形態感知的太空柔性帆板結構低模態振動主動控制方法，其特徵在於所述的控制策略是在結構振動形態感知的基礎上形成的植入的光纖光柵傳感網絡感知太空帆板結構表面離散測量點的應變變化，此數據通過光纖光柵網絡信號分析儀，並基於所開發的測控軟體實時提取並轉化為結構形變曲率信息，此後軟體平臺基於曲率信息的空間曲面擬合算法，擬合計算出曲面上各點位置坐標，一方面在計算機屏幕上三維重建顯示帆板振動形態，另一方面產生振動主動控制策略和命令，並通過計算機接口發送給SMA彈簧組驅動控制模塊，驅動SMA彈簧組動作，從而產生控制力施加於受控結構，以達到減小或消除帆板結構振動響應的目的。
3.根據權利要求1或2所述的基于振動形態感知的太空帆板結構低模態振動主動控制方法，其特徵在於使用大功率低壓開關電源(7)驅動SMA彈簧組(8)產生控制動作選擇低壓大功率開關電源(7)作為控制系統能量供給模塊，並以控制驅動模塊(6)的繼電器為開關，通過開關的狀態決定SMA彈簧(8)是否動作，從而產生控制動作施加於受控結構。
4.一種根據權利要求1所述的基于振動形態感知的太空帆板結構低模態振動主動控制方法所採用的裝置，包括一臺計算機(4)和一臺顯示器(5)，其特徵在於有一塊懸臂式固定安裝的太空柔性帆板結構(1)的表面上植入離散光纖光柵傳感網絡(2)，並固定一組SMA彈簧組(8)；所述的光纖光柵傳感網絡(2)經一個光纖光柵網絡信號分析儀(3)連接所述的計算機(4)；所述的計算機(4)的一路輸出連接到所述的顯示器(5)，而另一路輸出連接到一個驅動控制模塊(6)；所述的驅動控制模塊(6)控制一個低壓大功率開關電源(7)接通所述的SMA彈簧組(8)。
全文摘要
本發明涉及一種基於形態感知的太空柔性帆板結構低模態振動控制方法和裝置。本方法是利用光纖光柵傳感網絡對帆板結構的振動形態進行實時感知，並根據感知的結構振動信息產生控制策略，通過控制驅動單元產生控制動作以驅動形狀記憶合金彈簧，利用彈簧的形狀記憶效應和超彈性效應，實現帆板結構振動響應的主動抵消和振動能量的消耗，從而實現消除或降低結構振動響應的目的。其裝置包括一個分布植入光纖光柵傳感器網絡②和SMA彈簧組⑧的柔性板狀結構①、一臺光纖光柵網絡信號分析儀③、一臺帶數據發送功能的計算機④、一臺顯示器⑤、一個帶數據接收功能的SMA彈簧組控制驅動模塊⑥、一組大功率低壓開關電源⑦。本發明不受電磁幹擾影響，提高了檢測穩定性，具有較高的檢測精確度和振動形態重建的優越性。
文檔編號G06N3/02GK101051217SQ200710040519
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月11日 優先權日2007年5月11日
發明者朱曉錦, 張合生, 謝春寧, 陸美玉, 趙曉瑜 申請人:上海大學