一种模拟空间飞行器壁板结构颤振/振动控制装置与方法

1.一种模拟空间飞行器壁板结构颤振/振动控制装置，该控制装置的柔性板(3)宽度方向的两对边通过机械夹持装置(7)固定，其特征在于：压电陶瓷片参考信号传感器（2）和压电陶瓷片控制传感器（6）分别粘贴在柔性板（3）的横向靠近两固定端50mm处、纵向中线位置处；柔性板的几何中心位置处安装有一个加速度传感器（4）作为控制传感器；在柔性板（3）左端，横向靠近固定端25mm处，双面对称粘贴8片压电陶瓷片，每面四片，压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起构成一路压电陶瓷片激励驱动器（1）；在柔性板右端，横向靠近固定端25mm处，双面对称粘贴8片压电陶瓷片，每面四片，压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起构成一路压电陶瓷片控制驱动器（5）；
还包括信号发生器（9），所述信号发生器（9）产生频率为柔性板（3）低阶固有频率的正弦信号，经第一压电陶瓷驱动电源（8）、压电陶瓷片激励驱动器（1），对柔性扳（3）进行激励；所述压电陶瓷片参考信号传感器（2）和压电陶瓷片控制传感器（6）或者压电陶瓷片参考信号传感器（2）和加速度传感器（4）将采集到参考信号和振动信号，经电荷放大器（10）、A/D转换数据采集卡（11）传送至计算机（12）；计算机（12）运行相应的自适应滤波控制算法产生控制信号，通过D/A转换卡（14）和第二压电陶瓷驱动电源（13）后，将控制信号输送至压电陶瓷片控制驱动器（5），对柔性板(3)产生控制力作用，抵消振动响应，实现对柔性板(3)的实时振动主动控制。
2.应用权利要求1所述的模拟空间飞行器壁板结构颤振/振动控制装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）开启电荷放大器(10)和压电陶瓷驱动电源(8)、信号发生器(9)后，将信号源设置为扫频方式，频率范围从0.5Hz到50Hz，将扫频周期设置为最小，采用信号发生器(9)产生扫描频率正弦信号经压电陶瓷驱动电源(8)传至压电陶瓷片激励驱动器(1)，将加速度传感器(4)或压电陶瓷片传感器(6)的电荷信号通过电荷放大器(10)放大后，通过A/D转换数据采集卡(11)采集记录模态自由振动响应结果，将记录的数据导入到计算机(12)中，继而将时域信号通过快速傅立叶变换获得柔板结构的模态频率，并将所述模态频率与计算结果互相验证；
（2）开启信号发生器(9)、压电陶瓷驱动电源(13)，对计算机(12)和A/D转换数据采集卡(11)进行初始化操作，调整信号发生器(9)产生正弦波，频率设置为步骤（1）获得的模态频率，在压电陶瓷片控制驱动器(5)进行激励，采集信号发生器(9)和压电陶瓷片控制传感器(6)或者信号发生器(9)和加速度传感器（4）的信号，并利用最小均方算法对控制通道进行离线辨识；
（3）开启信号发生器(9)、压电陶瓷驱动电源(8)，对计算机(12)和A/D转换数据采集卡(11)进行初始化操作，调整信号发生器(9)产生正弦波，频率设置为步骤（1）获得的模态频率，经压电陶瓷驱动电源(8)传至压电陶瓷片激励驱动器(1)激励起柔性板(3)的振动；
（4）开启电荷放大器(10)，A/D转换数据采集卡(11)采集压电陶瓷片参考信号传感器(2)的参考信号和压电陶瓷片控制传感器(6)的振动信号，或者，采集压电陶瓷片参考信号传感器(2)的参考信号和加速度传感器(4)的振动信号，并传送至计算机(12)；
（5）开启压电陶瓷驱动电源(13)，对计算机和A/D转换数据采集卡(11)和D/A转换卡(14)进行初始化操作，并根据预设参数运行滤波U最小均方控制算法获得控制信号，所述控制信号经D/A转换卡(14)输出到压电陶瓷驱动电源(13)经放大后驱动压电陶瓷片控制驱动器(5)，对柔性板(3)进行振动控制；
（6）通过显示器实时显示振动控制效果，并记录存储数据进行分析；
（7）重复步骤（3）、（4）、（5）、（6），并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制策略的相应的参数，直到获得预期的控制效果。

一种模拟空间飞行器壁板结构颤振/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两端固支板结构振动控制，特别是涉及一种模拟空间飞行器结构的振动主动控制装置和方法。具体说是提供一种模拟空间飞行器的壁板结构，采用传感器/驱动器优化配置实现振动主动控制的装置和方法。\n背景技术\n[0002] 壁板结构的颤振与振动主动控制技术，一向是航空领域内十分关注的重要问题。\n为了减轻结构重量，新一代空天飞行器的结构设计中更多的采用薄壁结构，对这一类飞行器结构进行超音速或者高超音速飞行下的气动弹性分析就显得尤为重要。壁板颤振是其中一个重要的研究课题。所谓壁板颤振，是指高速飞行器的壁板结构（如机翼蒙皮）在超音速气流中的一种自激振动现象。空间飞行器高速飞行过程经不确定扰动激励而发生振动时，壁板结构在惯性力、弹性力、热载荷以及作用于壁板一个表面上的气动力的共同作用下，将可能产生复杂气动弹性动力学不稳定现象，采用大变形非线性结构理论进行研究可以发现，壁板的响应不会在超过某个临界值后由收敛立即转为发散，而是存在极限环振动的形式。当来流速度在一定的速度范围中时，壁板的振动是等幅的简谐振动且幅值随来流速度的增加而增大。通过相关研究报告可知，壁板出现颤振现象后，一般不会立刻导致灾难性的结构破坏，而是以稳定极限环的形式振动，对壁板结构的疲劳寿命甚至飞行器的飞行性能产生十分不利的影响。因此，壁板结构颤振/振动的主动控制就成为了当今世界普遍关注而富有挑战性的重要课题和难点。针对壁板结构的颤振/振动控制，为保证其工作稳定性，必须使它们具有自适应性和主动控制能力，近年来发展起来的智能结构控制技术对太阳能帆板的振动进行控制提供了思路。\n[0003] 用智能材料实现振动的主动控制，如今在国内外科研中已经被广泛应用，并通过大量的实验验证了其合理性、可行性和有效性。虽然主动减振智能结构的研究仍然在不断深入，然而目前这一领域的研究尚未形成完善、系统的设计理论和方法，仍有许多问题尚待研究解决。针对空间飞行器壁板结构的建模方面，当前的研究主要利用解析法建模，一般情况下，只有简单的模型才存在解析解，而实际的模型大都比较复杂，它们并不存在解析解。\n针对空间飞行器壁板结构的振动控制方面，现有的实验平台及方法，多针对悬臂梁及悬臂板等模型，而这与实际空间飞行器的模型是不相符的；在实际系统中，使用压电陶瓷片实现振动控制同时存在数目和位置优化问题，同时残余模态带来的观测控制“溢出”问题并没有很好的解决。该类结构的传感器和驱动器优化配置问题：即传感器与驱动器的最优数量选择、最佳尺寸和位置优化配置问题并没有很好的解决。上海大学的朱晓锦教授申请的[0004] 相关专利，专利申请号为201110033009，发明名称“临近空间飞行器模型的振动主动控制实验平台及方法”，该申请专利中，针对临近空间飞行器机翼结构的颤振/振动，利用压电陶瓷片传感器进行实时感知，并根据传感器信号产生实时控制策略。壁板结构的颤振/振动与机翼结构的颤振/振动是不同的，采用两端固支板结构与实际中壁板结构更为接近。对于传感器的选用，实际应用中压电陶瓷片存在易老化、不易更换等缺点，而加速度传感器易于更换，更适合于采集频率较高的信号。因此，本发明同时采用压电陶瓷应变片和加速度传感器作为振动信号传感器，不仅保障了系统的正常运转，而且可以进行不同控制方法的研究比较。\n发明内容\n[0005] 针对上述技术问题，本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。\n[0006] 本发明的首要目的是提供一种模拟空间飞行器壁板结构颤振/振动控制装置。本发明的另一个目的在于提供一种利用上述装置的控制方法。\n[0007] 一种模拟空间飞行器壁板结构颤振/振动控制装置，该控制装置的柔性板宽度方向的两对边通过机械夹持装置固定，压电陶瓷片参考信号传感器和压电陶瓷片控制传感器分别粘贴在柔性板的横向靠近两固定端50mm处、纵向中线位置处；柔性板的几何中心位置处安装有一个加速度传感器作为控制传感器；在柔性板左端，横向靠近固定端25mm处，双面对称粘贴8片压电陶瓷片，每面四片，压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起构成一路压电陶瓷片激励驱动器；在柔性板右端，横向靠近固定端25mm处，双面对称粘贴8片压电陶瓷片，每面四片，压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起构成一路压电陶瓷片控制驱动器；\n[0008] 还包括信号发生器，所述信号发生器产生频率为柔性板低阶固有频率的正弦信号，经第一压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷片激励驱动器，对柔性扳进行激励；所述压电陶瓷片参考信号传感器和压电陶瓷片控制传感器或者压电陶瓷片参考信号传感器和加速度传感器将采集到参考信号和振动信号，经电荷放大器、A/D转换数据采集卡传送至计算机；计算机运行相应的自适应滤波控制算法产生控制信号，通过D/A转换卡和第二压电陶瓷驱动电源后，将控制信号输送至压电陶瓷片控制驱动器，对柔性板产生控制力作用，抵消振动响应，实现对柔性板(3)的实时振动主动控制。\n[0009] 进一步地，所述柔性板为环氧树脂材料薄板。\n[0010] 进一步地，述压电陶瓷材料的弹性模量为Epe=63Gpa，d31= -166pm/V。\n[0011] 应用所述的一种模拟空间飞行器壁板结构颤振/振动控制装置的方法，包括如下步骤：\n[0012] （1）开启电荷放大器和压电陶瓷驱动电源、信号发生器后，将信号源设置为扫频方式，频率范围从0.5Hz到50Hz，将扫频周期设置为最小，采用信号发生器产生扫描频率正弦信号经压电陶瓷驱动电源传至压电陶瓷片激励驱动器，将加速度传感器或压电陶瓷片传感器的电荷信号通过电荷放大器放大后，通过A/D转换数据采集卡采集记录模态自由振动响应结果，将记录的数据导入到计算机中，继而将时域信号通过快速傅立叶变换获得柔板结构的模态频率，并将所述模态频率与计算结果互相验证；\n[0013] （2）开启信号发生器、压电陶瓷驱动电源，对计算机和A/D转换数据采集卡进行初始化操作，调整信号发生器产生正弦波，频率设置为步骤（1）获得的模态频率，在压电陶瓷片控制驱动器进行激励，采集信号发生器和压电陶瓷片控制传感器或者信号发生器和加速度传感器的信号，并利用最小均方算法对控制通道进行离线辨识；\n[0014] （3）开启信号发生器、压电陶瓷驱动电源，对计算机和A/D转换数据采集卡进行初始化操作，调整信号发生器产生正弦波，频率设置为步骤（1）获得的模态频率，经压电陶瓷驱动电源传至压电陶瓷片激励驱动器激励起柔性板的振动；\n[0015] （4）开启电荷放大器，A/D转换数据采集卡采集压电陶瓷片参考信号传感器的参考信号和压电陶瓷片控制传感器的振动信号，或者，采集压电陶瓷片参考信号传感器的参考信号和加速度传感器的振动信号，并传送至计算机；\n[0016] （5）开启压电陶瓷驱动电源，对计算机和A/D转换数据采集卡和D/A转换卡进行初始化操作，并根据预设参数运行滤波U最小均方控制算法获得控制信号，所述控制信号经D/A转换卡输出到压电陶瓷驱动电源经放大后驱动压电陶瓷片控制驱动器，对柔性板进行振动控制；\n[0017] （6）通过显示器实时显示振动控制效果，并记录存储数据进行分析；\n[0018] （7）重复步骤（3）、（4）、（5）、（6），并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制策略的相应的参数，直到获得预期的控制效果。\n[0019] 本发明相对于现有技术具有如下优点和有益效果：\n[0020] （1）本发明针两端固支柔性板结构，其动力学特性与实际的空间飞行器壁板结构更为接近，在此基础上进行振动主动控制研究，更具有实际意义。\n[0021] （2）本装置为多传感器融合系统，既有压电陶瓷片传感器，又有加速度传感器，提供了对柔性壁板结构进行不同的振动控制方法研究的条件。\n[0022] （3）本装置利用压电陶瓷片激励驱动器来激励柔性板的固有模态，同时采用压电陶瓷片控制驱动器进行控制，可以很好的模拟空间飞行器壁板结构的颤振特性，进行振动主动控制研究。\n[0023] （4）本装置运用有限单元法建立结构系统的有限元模型，并考虑残余模态的观测控制“溢出”问题，将“溢出”问题最小化，进行了传感器/驱动器的位置优化，确定粘贴压电片的最佳位置，提供了一种传感器作动器优化配置方案。\n附图说明\n[0024] 图1是模拟空间飞行器壁板结构振动控制装置的总体结构示意图。\n[0025] 图2是图1中柔性板正面压电陶瓷片传感器、加速度传感器、压电陶瓷片驱动器配置分布示意图。\n[0026] 图3是图1中柔性板背面加速度传感器、压电陶瓷片驱动器配置分布示意图。\n具体实施方式\n[0027] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施不限于此。\n[0028] 如图1至图3所示，一种模拟空间飞行器壁板结构颤振/振动控制装置，该控制装置的柔性板3宽度方向的两对边通过机械夹持装置7固定，压电陶瓷片参考信号传感器\n2和压电陶瓷片控制传感器6分别粘贴在柔性板3的横向靠近两固定端50mm处、纵向中线位置处；柔性板的几何中心位置处安装有一个加速度传感器4作为控制传感器；在柔性板3左端，横向靠近固定端25mm处，双面对称粘贴8片压电陶瓷片，每面四片，压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起构成一路压电陶瓷片激励驱动器1；在柔性板右端，横向靠近固定端25mm处，双面对称粘贴8片压电陶瓷片，每面四片，压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起构成一路压电陶瓷片控制驱动器5；\n[0029] 还包括信号发生器9，所述信号发生器9产生频率为柔性板3低阶固有频率的正弦信号，经第一压电陶瓷驱动电源8、压电陶瓷片激励驱动器1，对柔性扳3进行激励；所述压电陶瓷片参考信号传感器2和压电陶瓷片控制传感器6或者压电陶瓷片参考信号传感器\n2和加速度传感器4将采集到参考信号和振动信号，经电荷放大器10、A/D转换数据采集卡\n11传送至计算机12；计算机12运行相应的自适应滤波控制算法产生控制信号，通过D/A转换卡14和第二压电陶瓷驱动电源13后，将控制信号输送至压电陶瓷片控制驱动器5，对柔性板3产生控制力作用，抵消振动响应，实现对柔性板3的实时振动主动控制。\n[0030] 在本实施例中，柔性板3的材料可选用环氧树脂材料薄板，其几何尺寸可选600 mm*510 mm*2 mm，即图1所示长度为600 mm，宽度为510 mm，厚度为2 mm。\n[0031] 本实例针对柔性壁板响应的振动抑制要求，采用有限单元法建立结构的有限元模型，将壁板结构划分为若干单元，采用一个2范数指标，同时考虑残余模态对控制模态的影响，将观测控制“溢出”问题影响最小化，进行了传感器/驱动器的位置优化，确定粘贴压电陶瓷片的最佳单元位置。\n[0032] 在压电陶瓷片进行优化分布时，传感器/驱动器性能指标最大的地方在横向根部位置。\n[0033] 具体到本实例中，两面对称粘贴8片压电陶瓷片应变片，每面4片对称分布，双面信号线极性相反并联连接在一起构成压电陶瓷片激励驱动器，横向靠近柔板左边固定端\n25mm，纵向与柔性板宽度方向边缘之间的距离分别为60mm和150mm；两面对称粘贴8片压电陶瓷片应变片，每面4片对称分布，双面信号线极性相反并联连接在一起构成压电陶瓷片控制驱动器，横向靠近柔板右边固定端25mm，纵向与柔性板3宽度方向边缘之间的距离分别为60mm和150mm；压电陶瓷片传感器2片，分别在柔性板3的横向靠近两固定端50mm处，位于柔性板3的纵向中间位置；\n[0034] 压电陶瓷片驱动器的几何尺寸为50 mm*15 mm*1 mm，压电陶瓷片传感器的几何尺寸为40 mm*10 mm*1 mm，压电陶瓷材料的弹性模量为Epe=63Gpa，d31= -166pm/V。\n[0035] 本实例中信号发生器9可选用南京盛普仪器科技有限公司SP-F05型DDS数字合成函数/任意波信号发生器，信号发生器根据柔性板的模态频率信息产生所需要的振动正弦波形信号，发送压电陶瓷驱动电源8；压电陶瓷驱动电源8可选用天津市东文高压电源厂生产的DW-D201-100-AC型高压供电电源；选用的计算机12CPU型号为Pentium G620 2.6 GHz，内存4 G；电荷放大器10可选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；A/D转换数据采集卡11的型号为台湾研华科技有限公司生产的PCL-818HD；D/A转换卡可选用台湾研华科技有限公司生产的PCL-727型转换卡；压电陶瓷驱动电源13可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX放大器，其研制单位为华南理工大学，在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍。放大倍数可达到52倍，即将-5V~+5V放大到-260~+260V。\n[0036] 应用上述一种模拟空间飞行器壁板结构颤振/振动控制装置的方法包括如下步骤:\n[0037] （1）开启电荷放大器10和压电陶瓷驱动电源8、信号发生器9后，将信号源设置为扫频方式，频率范围从0.5Hz到50Hz，将扫频周期设置为最小，采用信号发生器9产生扫描频率正弦信号经压电陶瓷驱动电源8传至压电陶瓷片激励驱动器1，将加速度传感器4或压电陶瓷片传感器6的电荷信号通过电荷放大器10放大后，通过A/D转换数据采集卡11采集记录模态自由振动响应结果，将记录的数据导入到计算机12中，继而将将时域信号通过快速傅立叶变换获得柔板结构的模态频率，并将所述模态频率与计算结果互相验证；\n[0038] （2）开启信号发生器9、压电陶瓷驱动电源13，对计算机12和A/D转换数据采集卡\n11进行初始化操作，调整信号发生器9产生正弦波，频率设置为步骤（1）获得的模态频率，在压电陶瓷片控制驱动器5进行激励，采集信号发生器9和压电陶瓷片控制传感器6或者信号发生器9和加速度传感器4的信号，并利用最小均方算法对控制通道进行离线辨识；\n[0039] （3）开启信号发生器9、压电陶瓷驱动电源8，对计算机12和A/D转换数据采集卡\n11进行初始化操作，调整信号发生器9产生正弦波，频率设置为步骤（1）获得的模态频率，经压电陶瓷驱动电源8传至压电陶瓷片激励驱动器1激励起柔性板3的振动；\n[0040] （4）开启电荷放大器10，A/D转换数据采集卡11采集压电陶瓷片参考信号传感器\n2的参考信号和压电陶瓷片控制传感器6的振动信号，或者，采集压电陶瓷片参考信号传感器2的参考信号和加速度传感器4的振动信号，并传送至计算机12；\n[0041] （5）开启压电陶瓷驱动电源13，对计算机和A/D转换数据采集卡11和D/A转换卡\n14进行初始化操作，并根据预设参数运行滤波U最小均方控制算法获得控制信号，所述控制信号经D/A转换卡14输出到压电陶瓷驱动电源13经放大后驱动压电陶瓷片控制驱动器\n5，对柔性板3进行振动控制；\n[0042] （6）通过显示器实时显示振动控制效果，并记录存储数据进行分析；\n[0043] （7）重复步骤（3）、（4）、（5）、（6），并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制策略的相应的参数，直到获得预期的控制效果。\n[0044] 信号发生器模态实验的分析方法可以避免锤击法激励能量低，受人为因素影响较多的缺点，通过扫频、随机、猝发随机等激励方式，准确、可靠的分析结构主要模态的特性。\n[0045] 本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。