模拟太空帆板弯曲和扭转低频模态振动控制装置与方法

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模拟太空帆板弯曲和扭转低频模态振动控制装置与方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及大型柔性悬臂板结构振动控制，特别是涉及一种模拟太空帆板结构的弯曲和扭转低频模态振动主动控制装置和方法，具体地说是提供一种针对模拟挠性太空帆板悬臂挠性板结构，应用基于电阻应变片传感器和形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器优化配置实现弯曲和扭转低频模态振动主动控制装置和方法。\n背景技术\n[0002] 随着航天技术的飞速发展，对空间结构系统的性能提出了新的要求。大型化、低刚度与柔性化是航天器结构的一个重要发展趋势。大型结构可以增加空间结构的功能，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，如大型太阳能电池阵可为空间结构提供更加充足的能源。太空帆板的尺寸越来越大，比如RAE卫星装有四根长达228.8m的大型天线，美国制定的开发大气层外太阳能的太空能源计划中，则要求安装长达十多公里的太阳能帆板这种巨大而单薄的结构。这种巨大而单薄的结构，其振动的低阶模态频率很低，所以要进行低频模态进行控制；本质上的分布参数系统，强耦合及强非线性；结构复杂，参数易变，所受扰动具有不确定性，因此高阶系统建模和高精度控制是非常棘手的问题。特别在太空条件下，挠性结构更加难以控制，因此，大型柔性结构振动的主动控制就成为当今世界普遍关注而富有挑战性的重要课题，研究大型空间结构的振动特性，并对其进行振动控制是空间结构设计任务中的一个重要课题和难点。采用智能材料作为敏感器和致动器组成智能结构技术对空间挠性结构进行主动振动控制，实现挠性结构的快速振动抑制，提高航天器姿态稳定性和指向精度。\n[0003] 现有技术中，研究模拟太空帆板的挠性悬臂板结构的弯曲模态和扭转模态振动控制，主要有采用压电片、加速度传感器和角速率陀螺等通过优化配置实现弯曲和扭转模态在检测和驱动上解耦，进行振动主动控制。压电材料PZT频带宽，出力大，但变形量小；压电陶瓷材料(PZT)具有控制精确、易于分布、反应速度快的优点，但是控制力较低，只能实现微调，无法进行较大的变形调整。采用上述的传感器和驱动器相对于频率在零点几到几十赫兹的频率带宽范围内可以达到较好的效果；可是，大型挠性太空帆板的低频振动模态振动的频率低于0.1赫兹，因此应用上述的传感器和驱动器的控制会有带宽上的局限性，效果不明显。智能材料中形状记忆合金材料SMA驱动器的优点是具有较大的控制力，可实现多种形式，变形量大，加热驱动时驱动力大，应变灵敏度高；缺点是响应速度慢，驱动频率带宽一般小于0.1Hz，难以用于快速动态控制，采用SMA进行极低频振动主动控制。上海大学的朱晓锦教授申请的相关专利，专利申请号为200710040519.2，发明名称：“基于形态感知的太空帆板结构低频模态振动主动控制方法与装置”中，利用光纤光栅传感器对帆板结构的振动形态进行实时感知，并根据感知的结构振动信息产生控制策略，驱动形状记忆合金实现消除或降低结构振动相应的目的；但在该申请专利中没有给出挠性悬臂板的弯曲和扭转振动模态的解耦问题，并未提及对扭转模态振动的驱动控制。而且，光纤光栅网络信号仪价格昂贵，系统的成本大大增加。因此对于低频模态的振动，可以考虑采用电阻应变片或者压电片分别连接动态信号应变仪或者电荷放大器可以测量低频甚至是静态应变，这样可以降低成本，并且通过合适的优化配置实现大型挠性悬臂板弯曲和扭转低频振动模态的主动控制。因此，本发明采用电阻应变片传感器和形状记忆合金进行弯曲和扭转低频振动模态的振动主动控制。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟柔性太空帆板结构弯曲和扭转模态低频振动的主动控制装置。\n[0005] 本发明的另一目的在于提供利用上述装置的弯曲和扭转低频振动的控制方法。\n[0006] 为了达到上述目的，本发明采用如下的方法和技术方案：\n[0007] 一种模拟太空帆板弯曲和扭转低频模态振动控制装置，该装置的挠性板通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，在挠性悬臂板靠近固定端纵向中线姿态角为0°粘贴电阻应变片作为弯曲模态压电应变片传感器，并在挠性板前后两面姿态角为0°对称安装多路形状记忆合金SMA弹簧作为弯曲模态形状记忆合金驱动器，多路SMA弹簧之间在挠性板的纵向距离为100～300mm，弯曲模态形状记忆合金驱动器位于挠性板靠近固定端横向20～\n100mm；在挠性板上靠近自由端的纵向中线正面姿态角为45°双面反对称粘贴2个电阻应变片组成扭转模态的电阻应变片组合传感器，并在靠近自由端纵向中线双面反对称粘贴四根形状记忆合金弹簧组成两路相位相反的扭转模态形状记忆合金驱动器之一和扭转模态形状记忆合金驱动器之二，扭转模态形状记忆合金驱动器之一和扭转模态形状记忆合金驱动器之二分别由两根形状记忆合金弹簧按照正面姿态角分别为45°和135°双面反对称安装，且在驱动相位上相反；弯曲模态压电应变片传感器和电阻应变片组合传感器分别与多路动态电阻应变仪连接，动态电阻应变仪通过多通道A/D转换数据采集卡与计算机连接，计算机接显示器；弯曲模态形状记忆合金驱动器、扭转模态形状记忆合金驱动器之一和扭转模态形状记忆合金驱动器之二分别通过开关接口电路板与大功率低压开关电源连接，开关接口电路板通过I/O电路板与控制计算机信号连接。\n[0008] 所述的扭转模态形状记忆合金驱动器之一和扭转模态形状记忆合金驱动器之二分别由两根形状记忆合金弹簧反对称安装组成，并且每个驱动器在长度方向的中心在挠性板横向距离重合，两个驱动器安装在驱动相位上相反。\n[0009] 所述的弯曲模态压电应变片传感器和电阻应变片组合扭转传感器选用BHF系列传感器用电阻应变计。\n[0010] 应用上述装置进行模拟太空帆板弯曲和扭转低频模态振动控制方法，采用电阻应变片和形状记忆合金SMA弹簧的优化配置，进行大型挠性悬臂板的低频弯曲和扭转模态的检测和驱动；根据电阻应变片检测的弯曲和扭转低频振动信号，通过动态电阻应变仪后经过A/D转换数据采集卡进入控制计算机，运行相应的控制算法后，利用I/O电路板驱动开关接口电路板的固态继电器，通过开关确定大功率低压开关电源驱动相应的SMA弹簧驱动器，分别产生低频弯曲和扭转模态的驱动控制动作，从而抑制大型挠性悬臂板的低频弯曲和扭转模态振动。\n[0011] 本发明与现有技术比较具有如下优点和有益效果：\n[0012] (1)电阻应变片可以测量低频甚至是静态应变，因此，在大型挠性悬臂板上通过适当的方式粘贴电阻应变片，可以策略大型挠性悬臂板的弯曲和扭转低频模态的振动，并且易于实现低频弯曲和扭转振动模态在检测上的解耦。\n[0013] (2)由于大型挠性太空帆板的低频振动模态振动的频率低于0.1赫兹，本发明采用形状记忆合金的优点是具有较大的控制力，可实现多种形式，变形量大，加热驱动时驱动力大，应变灵敏度高，并且适合于驱动频率带宽小于0.1Hz，所以采用SMA进行极低频振动主动控制可以有效地抑制挠性悬臂板的低频振动。并且本发明采用形状记忆合金材料SMA弹簧驱动器的优化配置既可实现大型挠性悬臂板弯曲和扭转低频模态在驱动上的解耦，根据电阻应变片检测的振动信息运行相应的控制策略后，通过SMA弹簧驱动器可以有效地抑制大型挠性悬臂板弯曲和扭转模态的振动。\n附图说明\n[0014] 图1是本发明模拟太空帆板弯曲和扭转低频模态振动控制装置结构示意图。\n[0015] 图2是图1中悬臂板正面电阻应变片传感器和SMA驱动器配置分布示意图。\n[0016] 图3是图1中悬臂板背面电阻应变片传感器和SMA驱动器配置分布示意图。\n[0017] 图4是图1中开关驱动电路板的电路示意图。\n具体实施方式\n[0018] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表达的范围。\n[0019] 如图1、2、3所示，模拟太空帆板弯曲和扭转低频模态振动控制装置包括机械支架夹持装置、挠性悬臂板3、弯曲模态形状记忆合金驱动器1、弯曲模态压电应变片传感器2、扭转模态形状记忆合金驱动器之一4和扭转模态形状记忆合金驱动器之二6、用于检测扭转模态的电阻应变片组合传感器5、动态电阻应变仪7、多通道A/D转换数据采集卡8、计算机9、液晶显示器13、I/O电路板10、开关驱动电路板11以及大功率开关电源12；该装置的挠性板通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，利用电阻应变片作为传感器检测低频模态振动，SMA弹簧的形状记忆效应和超弹性效应作为驱动器，本例采用的形状记忆合金弹簧都是在通电加热后收缩产生拉伸力。开关驱动电路板11由固态继电器组成，由多路I/O电路板\n10驱动继电器的弱电控制大功率开关电源12的强电给多路形状记忆合金弹簧驱动器通电加热。另外，本装置中的弯曲模态压电应变片传感器2和电阻应变片组合传感器5可以用压电陶瓷片来代替，布置方式相同，此时动态电阻应变仪改为极低频电荷放大器即可。\n[0020] 弯曲模态形状记忆合金驱动器1和扭转模态形状记忆合金驱动器之一4采用双程记忆效应(形状记忆合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应)NiTi形状记忆合金弹簧。弯曲模态压电应变片传感器2和电阻应变片组合扭转传感器5可选用BHF系列BX120-2AA型传感器用电阻应变计。动态电阻应变仪7可选用江苏联能电子技术有限公司型号为YE3817C多通道、通用型动态应变仪。多通道A/D转换数据采集卡8(型号：PCL-818HD生产单位：台湾研华科技公司)、计算机9(台湾研华IPC610机箱，PCA-6006主板生产单位：台湾研华科技公司，Pentium IV 2.4G Intel CPU)、多通道D/A转换和I/O卡10(型号：PCL-727生产单位：台湾研华科技公司)。\n[0021] 开关驱动电路板11采用SSR固态继电器驱动，如图4所示。结构和原理为：当通过SSR固态继电器的1号端口输入高电平信号，这里2号端口为信号地，则3号端口和4号端口之间导通，当1号端口为低电平时，3号端口和4号端口截止，就通过直流24V电源给形状记忆合金驱动器供电。大功率开关电源12选取QF1712-5型前锋直流电源，额定供电电压30V，电流10A。\n[0022] 根据能控性(弯曲模态形状记忆合金驱动器1、扭转模态形状记忆合金驱动器之一4和扭转模态形状记忆合金驱动器之二6分别对挠性板的驱动控制能力)和能观性(弯曲模态压电应变片传感器2和电阻应变片组合传感器5分别对挠性悬臂板弯曲和扭转振动的观测能力)准则，对弯曲模态压电应变片传感器2和电阻应变片组合传感器5、弯曲模态形状记忆合金驱动器1、扭转模态形状记忆合金驱动器之一4和扭转模态形状记忆合金驱动器之二6进行优化配置。\n[0023] 在挠性悬臂板靠近固定端纵向中线姿态角为0°粘贴电阻应变片作为弯曲模态压电应变片传感器2，并在挠性板前后两面姿态角为0°对称安装多路形状记忆合金SMA弹簧作为弯曲模态形状记忆合金驱动器1，多路SMA弹簧之间在挠性板的纵向距离为100～\n300mm，在挠性板靠近固定端横向20～100mm，用于控制低频弯曲振动模态；在挠性板上靠近自由端的纵向中线正面姿态角为45°双面反对称粘贴2个电阻应变片组成扭转模态的电阻应变片组合传感器5，并在靠近自由端纵向中线双面反对称粘贴四根形状记忆合金弹簧组成两路相位相反的扭转模态形状记忆合金驱动器之一4和扭转模态形状记忆合金驱动器之二6，扭转模态形状记忆合金驱动器之一4和扭转模态形状记忆合金驱动器之二6分别由两根形状记忆合金弹簧按照正面姿态角为45°和135°双面反对称安装，并且扭转模态形状记忆合金驱动器之一4和扭转模态形状记忆合金驱动器之二6这两路中的每路形状记忆合金弹簧在长度方向的中心在挠性板长度方向距离重合；扭转模态形状记忆合金驱动器之一4和扭转模态形状记忆合金驱动器之二6的安装形式在驱动相位上相反，分别驱动扭转振动模态的正相和反相运动，达到抑制挠性悬臂板低频扭转振动的目的。\n[0024] 弯曲模态压电应变片传感器2和电阻应变片组合传感器5分别与多路动态电阻应变仪7连接，动态电阻应变仪7通过多通道A/D转换数据采集卡8与计算机9连接，计算机接显示器13；弯曲模态形状记忆合金驱动器1、扭转模态形状记忆合金驱动器之一4和扭转模态形状记忆合金驱动器之二6分别通过开关接口电路板11与大功率低压开关电源12连接，开关接口电路板11通过I/O电路板10与控制计算机信号连接。\n[0025] 在控制弯曲模态低频振动时，根据弯曲模态压电应变片传感器2检测的弯曲模态的振动信息，运行相应的控制算法后，通过控制开关驱动电路板11通过大功率电源12给分别根据控制相位确定给弯曲模态形状记忆合金驱动器之一1的两端中的一端通电加热，驱动控制弯曲模态。\n[0026] 在控制扭转模态振动时，根据检测的电阻应变片组合传感器5的信息，运行相应的控制算法后，并根据振动的相位，控制开关驱动电路板通过大功率电源分别加热扭转模态形状记忆合金驱动器之一4和扭转模态形状记忆合金驱动器之二6的形状记忆合金弹簧组，驱动控制扭转模态。这里扭转模态形状记忆合金驱动器之一4和扭转模态形状记忆合金驱动器之二6分别由两根形状记忆合金反对称安装弹簧组成，每路的反对称安装的形状记忆合金同时控制通电加热，这样通过双面反对称同时拉伸，驱动扭转模态，根据安装方式扭转模态形状记忆合金驱动器之一4和扭转模态形状记忆合金驱动器之二6的驱动相位相反。