[發(fā)明專利]基于角速率陀螺的模擬太空帆板扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制裝置與方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810028772.0
• 申請(qǐng)日: 2008-06-13
• 公開（公告）號(hào): CN101318561A
• 公開（公告）日: 2008-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱志成;張東;謝存禧;李琳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B64G1/44
• 分類號(hào): B64G1/44;B64G1/24;F16F15/02;G05D19/02
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 李衛(wèi)東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及大型柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制，特別是涉及一種太空帆板結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)主動(dòng)控制裝置和方法，具體地說是提供一種針對(duì)模擬撓性太空帆板懸臂撓性板結(jié)構(gòu)，應(yīng)用基于角速率陀螺傳感器和壓電驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動(dòng)主動(dòng)控制裝置和方法。

背景技術(shù)

大型化、低剛度與柔性化是航天器結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的性能提出了新的要求，太空帆板的尺寸越來越大，比如RAE衛(wèi)星裝有四根長達(dá)228.8m的大型天線，美國制定的開發(fā)大氣層外太陽能的太空能源計(jì)劃中，則要求安裝長達(dá)十多公里的太陽能帆板這種巨大而單薄的結(jié)構(gòu)。大型空間柔性結(jié)構(gòu)明顯的特征是尺寸大、重量輕、柔性大、模態(tài)阻尼小、振動(dòng)固有頻率低且分布密集，因此受到擾動(dòng)后振動(dòng)問題不可避免，因此需要對(duì)振動(dòng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和主動(dòng)控制。撓性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制問題由來已久，卻仍然具有巨大的挑戰(zhàn)性，尤其是需要高精度地控制其姿態(tài)和指向。特別在太空條件下，撓性結(jié)構(gòu)更加難以控制，因此，大型柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)控制就成為當(dāng)今世界普遍關(guān)注而富有挑戰(zhàn)性的重要課題，研究大型空間結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，并對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)控制是空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)中的一個(gè)重要課題和難點(diǎn)。美國國家研究理事會(huì)在《新世紀(jì)的太空技術(shù)》報(bào)告中，就將“在失重條件下能使各種天線和望遠(yuǎn)鏡保持穩(wěn)定”列為影響太空探索的六大關(guān)鍵技術(shù)之一。為了確保航天飛行系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的工作，必須對(duì)航天飛行器的大型撓性附件的振動(dòng)進(jìn)行有效地控制。為了能適應(yīng)不斷發(fā)展的空間結(jié)構(gòu)的要求，人們寄希望于新穎的主動(dòng)振動(dòng)控制(AVC)技術(shù)，智能結(jié)構(gòu)思想的出現(xiàn)，為解決大型航天撓性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制問題提供了新的思路。采用智能材料作為敏感器和致動(dòng)器組成智能結(jié)構(gòu)技術(shù)對(duì)空間撓性結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)撓性結(jié)構(gòu)的快速振動(dòng)抑制，提高航天器姿態(tài)穩(wěn)定性和指向精度。技術(shù)的高難度與重要的應(yīng)用價(jià)值吸引了各相關(guān)領(lǐng)域的眾多研究人員，但是現(xiàn)有技術(shù)中，研究主要集中在智能材料及其振動(dòng)控制的簡單模型研究和試驗(yàn)研究，對(duì)基于壓電智能結(jié)構(gòu)的一維梁的優(yōu)化配置和主動(dòng)振動(dòng)控制算法研究的很多，控制的是梁彎曲振動(dòng)模態(tài)。但對(duì)于大型撓性懸臂板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制，理論分析和工程實(shí)際應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟，還有諸多問題需要解決。針對(duì)大型撓性太空帆板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主動(dòng)控制方面，現(xiàn)有技術(shù)尤其存在以下問題沒有很好地解決：太空帆板基本上為懸臂外伸板結(jié)構(gòu)，擾動(dòng)激勵(lì)的振動(dòng)包括彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振動(dòng)，現(xiàn)有技術(shù)針對(duì)彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的檢測(cè)和控制，主要有采用壓電片和優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)在檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)上解耦，進(jìn)行振動(dòng)主動(dòng)控制。用多壓電片組成扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動(dòng)器對(duì)粘貼的精度要高，并且要求每片壓電陶瓷片的參數(shù)一致，這樣對(duì)壓電片和粘貼提出了精度和一致性的要求，安裝和應(yīng)用不方便。因此，本發(fā)明采用角速率陀螺傳感器進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的檢測(cè)，安裝和應(yīng)用方便，較好地實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)模態(tài)的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、控制穩(wěn)定的基于單軸角速率陀螺傳感器的智能柔性太空帆板結(jié)構(gòu)彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動(dòng)主動(dòng)控制裝置。

本發(fā)明的另一目的在于提供利用上述裝置的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的控制方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的方法和技術(shù)方案：

一種基于角速率陀螺的模擬太空帆板扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制裝置，該裝置的撓性板通過機(jī)械支架夾持裝置固定為懸臂板，在撓性板固定端橫向20～25mm處前后兩面對(duì)稱粘貼的多片壓電陶瓷片，多片壓電陶瓷片之間在撓性板的縱向距離為20～160mm，姿態(tài)角度為0°，多片壓電陶瓷片雙面極性相反并聯(lián)連接在一起組成彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器；彎曲模態(tài)傳感器為一片壓電陶瓷片，在撓性板的橫向靠近固定端20～25mm處，位于撓性板的縱向中線，姿態(tài)角度為0°；在撓性板靠近自由端一段距離的縱向中部雙面反對(duì)稱粘貼多片壓電陶瓷片，壓電陶瓷片雙面極性相同并聯(lián)連接在一起組成扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動(dòng)器，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動(dòng)器的壓電陶瓷片之間在橫向距離為35～100mm，扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動(dòng)器粘貼在正面的壓電陶瓷片姿態(tài)角度為45°；角速率陀螺傳感器安裝在撓性板的自由端，角速率陀螺傳感器的檢測(cè)軸線和撓性板扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)的節(jié)線平行；彎曲模態(tài)傳感器與極低頻電荷放大器信號(hào)連接，極低頻電荷放大器和角速率陀螺傳感器分別通過多通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)信號(hào)連接；彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)器和扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動(dòng)器分別與多路壓電陶瓷電源連接；多路壓電陶瓷電源通過多通道D/A轉(zhuǎn)換卡與計(jì)算機(jī)信號(hào)連接。

所述的反對(duì)稱粘貼是指正面的壓電陶瓷片姿態(tài)角度為45°，反面壓電陶瓷片的姿態(tài)角與正面垂直，都位于撓性板的靠近自由端的縱向中間位置。

所述的扭轉(zhuǎn)模態(tài)驅(qū)動(dòng)器都位于撓性板的靠近自由端一段距離的縱向中間位置。