智能柔板结构低模态振形感知可视化与主动控制研究

摘要

智能结构代表着21世纪材料结构发展的前瞻方向和全新趋势，其内涵是基于材料/结构的机敏特性和信息处理单元的紧密融合或集成，不仅使结构可以感知环境和自身特性，而且通过感知控制策略使结构本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自响应等能力，从而实现结构系统的智能/智慧化。由于智能结构概念的新颖性和内涵的丰富性，特别在航空航天等高技术领域具有非常诱人的应用前景，目前已成为交叉融合材料结构、信息科学、控制工程与计算机技术等诸多学科的研究热点。 智能表层结构及其振动主动控制是智能结构研究的重要内容之一，就融入结构基体的多路复用植入式传感网络及其信息处理技术而言，其承担着感知外界环境的变化和结构中各种信息的重要作用，尤其对于结构振动响应和振动形态的敏锐感知与实时监测，为获知结构的变化特征和健康状况提供了安全保障，并在此基础上根据一定的控制规律去实时控制结构驱动单元以改变结构的振动状态，可以达到自适应抑制结构振动响应的目的。这一研究不仅在航空航天领域，而且在国防和民用其它众多领域也有着极其重要的意义和广阔的应用前景。 本文以航天柔性结构如太阳能帆板为理想应用目标，将光纤光栅信号检测与处理方法、基于曲率信息的三维曲面拟合算法、计算机图形处理技术、结构振动理论和控制策略结合起来，进行基于分布植入光纤光栅传感网络的智能柔性结构振动形态感知与临场可视化技术的研究，以及基于形状记忆材料SMA驱动器的柔性结构振动响应主动控制研究。通过构建综合采用光纤光栅和形状记忆驱动材料的主动柔板智能结构，探索基于分布式传感网络的结构面形动态检测与形状重建可视化技术，以及结构振动SMA主动控制方法；开发相应计算机测控系统与可视化环境实验平台，进行理论方法验证与实验分析研究。全文可以概括为振形感知与重建可视化、振动响应主动控制、实验平台构建与实现技术开发，以及实验分析与验证四个部分，所做的主要工作和贡献如下： (1)首次基于分布植入光纤光栅传感网络的智能柔性帆板结构为实验对象，结合计算机测控系统和可视化环境开发，构建了一套智能柔性结构振动形态感知与现场可视化实验系统。 (2)分析研究了基于智能材料结构概念的信息感知与行为驱动机敏材料，并着重分析了FBG光纤光栅传感器与SMA行为驱动材料的基本原理和性能特点。 (3)分析了基于FBG传感网络离散检测结构应变信息并转化为离散曲率信息的关系；深入研究基于离散曲率信息的智能柔板空间曲面重建理论与方法，充实了逆向工程中已知离散点曲率信息重建曲面的理论；对多种曲面拟合算法进行了详细的和分析和推导，并从算法拟合效果和运算量两方面进行比较，结合仿真实验分析确定最终采用的算法，为实际技术实现提供了理论和方法依据。 (4)探索智能柔板结构振动形态的三维实时重建和现场动态可视化技术，以及基于OpenGL的计算机图形处理方法和特效实现技术，实现基于大量复杂数据的柔板振动形态现场直观显示。 (5)深入研究了基于智能柔板振动形态感知环境下的结构振动响应主动控制策略，分析了SMA的形状记忆效应、超弹性效应以及实现振动抑制的工作机理，设计构建了实现振动响应主动抑制的控制方案与单元。 (6)分析介绍了智能柔板结构实验模型的设计与构建过程，包括材料的选择与布置、基于有限元分析的机敏材料优化配位、相关实验仪器的选择与配置等。 (7)开发了基于光纤信号解调器、高性能计算机，以及相关测控单元和仪器为核心的综合测控系统；基于Visual C++6.0软件平台开发了智能柔板结构振动形态感知、现场可视化及主动控制的全套上/下位机系统测控软件；实现完整的软/硬件测控环境的构建与开发。 (8)在理论方法研究、关键技术分析和系统开发构建的基础上，进行了全面的实验分析与验证工作；实验结果表明，基于光纤光栅传感网络实现感知和重建的智能柔性帆板曲面三维动态再现和显示，不仅效果生动逼真，而且比较精确地反映了帆板结构的振动形态；同时在获得结构振动状态动态可视化模型的基础上，基于SMA振动响应主动抑制也取得了良好的控制和实验效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1.引言

1.2.智能结构的内涵和研究现状

1.2.1.智能结构的基本概念与组织特征

1.2.2.智能结构的发展背景

1.2.3.智能结构的研究内容

1.2.4.智能结构的研究进展

1.3.基于智能结构内涵的振动形态感知、重建与主动控制研究

1.3.1.基本思路

1.3.2.基于光纤光栅的信息感知技术

1.3.3.三维曲面拟合与重建方法

1.3.4.三维曲面现场可视化技术

1.3.5.基于SMA的振动主动控制技术

1.4.本文的主要研究工作

1.4.1.课题背景

1.4.2.主要研究工作与内容

1.4.3.论文的章节内容编排

1.5.本章小结

第二章信息感知与行为驱动机敏材料

本章概要：

2.1智能结构中的传感元件

2.2智能结构中的驱动元件

2.3 Bragg光纤光栅传感器的基本工作原理

2.4光纤光栅制作技术

2.4.1全息写入成棚技术

2.4.2相位掩模法

2.4.3在线成栅法

2.4.4逐点写入法

2.4.5振幅掩膜法

2.5形状记忆合金材料的基本工作原理

2.6本章小结

第三章基于曲率信息的空间曲面重建方法

本章概要：

3.1从波长到曲率的转化

3.2空间曲面拟合的简化

3.3曲率插值方法分析

3.4基于曲率信息的曲线拟合算法分析

3.4.1斜率递推算法

3.4.2一次递推算法

3.4.3切角递推算法

3.4.4二次积分算法

3.4.5双线性插值算法

3.5由曲线拟合到曲面拟合的过程分析

3.6各种算法的仿真结果与比较选择

3.7本章小结

第四章三维曲面重建与现场可视化技术

本章概要：

4.1 OpenGL简介

4.2 VC++6.0对OpenGL的支持

4.3 OpenGL与MFC的接口

4.4 OpenGL特效的实现

4.4.1光照的实现

4.4.2混合、反走样、雾效的实现

4.4.3纹理的实现

4.4.4变换的控制

4.4.5动态显示的实现

4.4.6三维曲面重构与再现

4.5曲面重建与可视化运行效果

4.6本章小结

第五章柔性智能结构实验模型设计与构建

本章概要：

5.1试验模型的基板选择

5.2光栅传感器与光纤光栅网络信号分析仪

5.2.1光栅传感器分析与选择

5.2.2光纤光栅网络信号分析仪的选用

5.3光栅传感陈列的优化配位与布置

5.3.1光栅测点的布局设计

5.3.2光栅传感点的粘贴方法

5.4振动主动控制驱动机制设计

5.4.1形状记忆合金材料的选择

5.4.2 SMA弹簧驱动电源的选择

5.5相关实验仪器的选择

5.6本章小结

第六章形态感知与现场可视化测控软件平台设计

本章概要：

6.1 VC++6.0开发平台与FMC概述

6.2软件的模块化设计

6.3软件环境开发所涉及的关键技术

6.3.1界面设计

6.3.2多线程技术的应用

6.3.3 SQL与ODBC技术

6.3.4 OpenGL技术

6.3.5 Socket网络编程

6.3.6 BMP图像的操作

6.3.7 AVI视频格式的编辑

6.4软件环境平台的综合仿真测试

6.5本章小结

第七章基于SMA的智能柔板振动主动控制系统开发

本章概要：

7.1基于SMA的结构振动主动控制策略

7.2下位机控制系统设计

7.2.1微型单片机单元

7.2.2串口的设计

7.2.3继电器控制单元

7.2.4系统保护单元

7.2.5 AT89S52的引脚利用情况

7.3上/下位计算机数据通信方式设计

7.3.1单片机串行通信基本原理

7.3.2 RS232标准接口总线

7.3.3 MAX232在串口通信中的应用

7.3.4下位机程序设计

7.4上位机通讯及控制程序设计

7.4.1上位机串口通讯技术

7.4.2控制算法的实现思路

7.5小结

第八章实验平台构建与实验结果

本章概要：

8.1实验平台构建与集成

8.1.1结构振动形态感知与重建可视化子系统

8.1.2结构振动SMA主动控制子系统

8.1.3辅助实验仪器与实验平台示图

8.2智能柔板结构振动形态感知与重建可视化实验

8.2.1实验环节一：各传感点数据标定

8.2.2实验环节二：曲面拟合坐标标定

8.2.3实验环节三：可视化重建动态测试

8.2.4形态感知与重建可视化实验效果

8.3基于SMA智能结构振动响应主动控制实验

8.3.1实验环节一：形状记忆合金弹簧性能测试

8.3.2实验环节二：振动响应主动控制实验测试

8.4实验误差与分析

8.4.1制作模型对象过程所产生的误差

8.4.2温度变化所引起的误差

8.4.3曲面拟合算法所引起的误差

8.5实验结论与思考

8.6本章小结

第九章总结与展望

参考文献

作者攻读硕士学位期间发表科研学术论文和专利申请状况

作者攻读硕士学位期间参加科研项目状况

致 谢

附录：