[發明專利]基于加速度傳感器的撓性懸臂板振動控制裝置與控制方法

無效

• 申請號: 200810027187.9
• 申請日: 2008-04-02
• 公開（公告）號: CN101261523A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發明（設計）人: 邱志成
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G05D19/02
• 分類號: G05D19/02;G05B13/04;G01H17/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 李衛東

技術領域

本發明涉及大型柔性結構振動控制，特別是涉及一種太空帆板結構的彎曲和扭轉振動多模態主動控制方法和裝置，具體涉及一種基于多加速度傳感器進行感知和壓電驅動器進行多模態控制的振動控制非線性控制方法和裝置。

背景技術

大型復雜和柔性化是航天器結構的一個重要發展趨勢。大型柔性附件的使用一方面增加了航天器設計和制造的靈活性，降低了發射成本，另一方面，由此帶來的振動問題越來越突出，這類大型柔性結構的模態阻尼小，高階且低頻密集，特別在太空運動中，存在環境擾動條件下，其大幅度的振動要延續很長時間。這不僅會通過與主體的耦合影響到航天器姿態的穩定和定向精度，還將使結構產生過早的疲勞破壞，影響結構的使用壽命，或導致結構中儀器的損壞，甚至使航天器失效。特別在太空條件下，撓性結構更加難以控制，美國國家研究理事會在《新世紀的太空技術》報告中，就將“在失重條件下能使各種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，尤其是需要精確地控制其位置和指向。

采用智能材料和智能結構技術對空間撓性結構進行主動振動控制，利用智能材料作為敏感器和致動器提高結構的阻尼，吸收和消耗系統的能量，抑制撓性結構的振動。黃文虎等在《力學進展》，1997，27(1)：5～16上發表的“航天柔性結構振動控制的若干新進展”指出：壓電材料非常適合航天器結構的需要，壓電材料在今后智能結構形狀和振動控制的研究與工程應用中占有極重要的地位。該專利的發明人邱志成在《航天控制》，2002，20(4)：8～15發表的“智能結構及其在振動主動控制中的應用”中對大型撓性結構控制的意義和目的以及智能結構在振動主動控制中的應用進行了綜述。在檢測振動的傳感器中，除了應變式傳感器外，“點式”加速度傳感器通過檢測結構安裝點的加速度信號反映振動，加速度傳感器質量小，易安裝，并且頻帶較寬，利用加速度傳感器反饋控制可在較寬頻帶范圍增加系統的主動阻尼，增強魯棒性并抑制撓性機器人或撓性結構的振動。由于加速度傳感器含有大量的高頻噪聲信號，因此要進行濾波處理。從現有研究的文獻看，基于加速度傳感器反饋的柔性機械臂或者撓性懸臂梁研究較多，這都是一維柔性梁的彎曲振動控制，對于基于加速度傳感器的二維板的振動檢測研究中，尺寸比較小，振動頻率較高，一般在幾十赫茲以上，比太陽帆板及板型天線的頻率高得的很多，不能用它來模擬太陽帆板，或者考慮扭轉振動控制的相對較少，總體而言，離航天器應用的實際需要還有很大的距離。并且，大型撓性板結構的低階模態的振動包括彎曲和扭轉模態振動，現有文獻中通過傳感器和驅動器的優化配置實現彎曲和扭轉模態的檢測和控制上的解耦沒有很好地解決，容易帶來觀測和控制“溢出”問題。現有振動主動控制方法有基于帶通濾波器的PID控制，正位反饋控制(PPF)，最優控制(LQR和LQG)，魯棒控制，滑模變結構控制法，利用零極點特性的零極點配置方法，機動過程振動抑制的“輸入成形”(Input?Shaping)控制方法，模糊控制及神經網絡控制方法等。為了解決建模和快速控制問題，吳宏鑫等在《宇航學報》2002，23(11)：19～26發表的“非線性黃金分割自適應控制”中給出了一種基于特征模型的黃金分割非線性自適應控制策略。雖然對振動控制取得了長足的進步，但就加速度傳感器反饋的大型撓性懸臂板控制試驗及應用還存在如下問題沒有很好地解決：

(1)基于加速度傳感器在撓性懸臂板的優化配置，實現懸臂板振動的彎曲和扭轉模態的檢測的解耦問題；

(2)由于加速度傳感器信號包含大量的測量噪聲，所以基于加速度傳感器的反饋控制的信號濾波處理問題；并且加速度傳感器和壓電驅動器一般異位配置，這樣會帶來各階模態相位差不同的補償問題，閉環控制的魯棒穩定性問題；

(3)控制算法對非線性因素的補償問題，快速振動的抑制問題，尤其是平衡點附近小幅值的殘余振動很難控制；現有控制方法要么對模型的精確性要求很高，否則性能會受到非常大的影響，要么計算量大，實際應用的硬件實時實現問題是實時性不好。尤其是基于加速度傳感器反饋實現撓性懸臂板的振動快速抑制和穩定性問題，沒有很好地解決。

針對上述問題，需要對基于加速度傳感器的撓性懸臂板的振動控制方法進行深入的研究，包括異位配置的加速度傳感器實現彎曲和扭轉振動模態的解耦，信號濾波處理和相位補償，和控制算法等。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種結構簡單、控制穩定的基于加速度傳感器的智能柔性太空帆板結構彎曲和扭轉模態振動主動控制裝置。

本發明的另一目的在于提供利用上述裝置的控制方法。