基于光致伸缩驱动器的振动无线主动控制装置及方法

摘要

本发明公布了一种基于光致伸缩驱动器的振动无线主动控制装置及方法，本发明装置包括复合材料柔性梁、工控机、无线传感、无线驱动装置。本发明方法应用激光测振仪实现物体表面振动的非接触高精度测量，通过切换宽带调制紫外光源的导通开关和调整入射光强的频率成份，使其发出的紫外光交互式垂直照射柔性结构上下表面的光致伸缩驱动器，使其产生正、负弯曲驱动，从而产生控制作用于受控结构。本发明的振动主动控制系统能够实现柔性结构的低频(100Hz以下)振动无线主动控制，可以减少导线连接，减轻航空、航天结构的电磁干扰，有助于改善复杂结构的恶劣工作环境。

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性结构低频振动无线主动控制装置及方法，尤其涉及一种基于激光测振仪和光致伸缩驱动的柔性结构低频振动无线主动控制装置及方法，属于振动主动控制领域。

背景技术

随着航空航天技术的飞跃式发展，人类空间活动的规模日益扩大，对空间结构的性能要求将越来越严格。目前，航空、航天结构中的柔性部件越来越多，这些大型空间柔性结构通常由轻质复合材料制作，运行中一旦受到某种扰动的作用，就会产生大幅度长时间的振动，直接影响航空、航天结构的精确运行和正常工作，国内外由于柔性体振动而导致整个航天结构性能下降、甚至瘫痪的例子很多。例如，美国发射的陆地卫星II的观测仪旋转结构，由于受到太阳能帆板驱动系统的干扰而振动，大大降低了传送图像的质量；哈勃望远镜因其太阳能帆板的热胀冷缩，引起了某些低频结构的振动，导致观测精度降低；我国研制的中巴资源一号02星在地面测试中，动量轮的偏心质量引起CCD相机安装支座的振动，造成侧视反射镜响应严重超标。可见，从根本上减小振动影响、全面提高结构性能，实现柔性结构的振动控制具有非常重要的理论意义和工程实用价值。

柔性结构的振动主要集中在低频，传统的被动控制方法对低频振动的控制效果有限，难以满足应用要求。随着微处理器技术、信号处理技术、传感器和驱动器技术的发展，集传感、驱动和控制于一体的柔性智能结构振动主动控制技术应运而生，为柔性结构低频振动问题的解决开辟了一条崭新的途径。世界各主要发达国家先后启动的智能结构系统研究计划中都将振动主动控制列为主要研究内容之一，如美国的DARPA智能材料结构战略研究计划、NASA下一代空间望远镜计划、SMASH计划等；再如，意大利航空研究中心针对飞机发动机的振动、噪声主动控制制定了专门研究计划，并拟于未来20年将主动减振降噪等重大技术成就应用在商业飞机上，以实现更高性能的航空系统。

纵观现有的振动主动控制方法，通常需要在被控结构表面或内部布置大量分布式传感器和驱动器，利用金属导线来传输传感信号和控制命令，并通过外部能源提供控制力，这很容易诱发电磁干扰和噪声，污染传感和控制信号，影响控制效果。再者，随着现代航空航天结构采用越来越多的电子仪器和设备，电磁环境已日益恶劣，因此控制振动和减少电磁干扰成为一个两难选择的问题。此外，复杂的传感、控制线路和大量的导线连接有时会严重影响空间机械臂等特殊结构的运动能力和工作环境。综上所述，开展柔性结构振动的无线主动控制研究，不仅能进一步增强学科发展的国际竞争力，促进结构振动主动控制理论的发展、完善和工程应用，而且对减轻航空航天结构的电磁干扰、改善其工作环境具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明旨在提供一种基于光致伸缩驱动器的振动无线主动控制装置及方法。通过本发明的振动主动控制系统能够实现柔性结构的低频(100Hz以下)振动无线主动控制，可以对减轻航空、航天结构的电磁干扰、改善其工作环境，推动振动主动控制技术的进一步发展、完善奠定必要的理论和技术基础。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明基于光致伸缩驱动器的振动无线主动控制装置，包括复合材料柔性梁、工控机、无线传感装置和无线驱动装置；极化方向相反的光致伸缩驱动器以对位贴片方式分布在智能柔性梁的上下表面，所述复合材料柔性梁以悬臂梁姿态夹持在机械夹持装置上；所述无线传感装置由激光测振仪和PXI数据采集与分析系统组成，激光测振仪和PXI数据采集与分析系统的各通道为一一对应连接，激光测振仪的输出端与PXI数据采集与分析系统的输入端连接，PXI的输出端与工控机的A/D采集卡连接；激光测振仪的激光头将一束激光投射到复合材料柔性梁表面上，拾取振动信号，通过激光测振仪的控制器进行振动信号转换并通过PXI仪器平台传输到用于信号处理的工控机上，经频率和相位解调得到运动物体振动速度和位移的时间历程信号，实现物体表面振动的非接触精密测量；所述无线驱动装置由宽带调制紫外光源、双叠层光致伸缩驱动器组成，宽带调制紫外光源和光致伸缩驱动器为一一对应布置；宽带调制紫外光源的输入端与工控机的D/A采集卡连接，工控机对接收的振动信号进行主动振动控制算法计算控制处理后，转换为模拟控制量输出至宽带调制紫外光源，宽带调制紫外光源发出的紫外光垂直照射光致伸缩驱动器的表面使其产生弯曲变形，从而产生控制作用于复合材料柔性梁，实现复合材料柔性梁振动响应的实时自适应抵消。

基于光致伸缩驱动器的振动无线主动控制装置的控制方法包括如下步骤：

(1)由宽带调制紫外光源在光致伸缩驱动器上施加0-100Hz的限带白噪声，以激励复合材料柔性梁进行振动，用激光测振仪测量选定测点位置的复合材料柔性梁的振动响应，将激励点和响应点的时域信号进行快速傅立叶变换(FFT)，从而计算出从驱动器到传感器的频率响应函数；

(2)依据实测的频响函数设计一个特殊的带宽滤波器，该滤波器为二阶系统，其固有频率近似为实测的待控模态的频率值，当激光测振仪的传感信号输入到系统中后，与待控模态同频率的信号分量被放大，不同频率的部分被抑制，系统的输出信号与待控模态的模态速度信号成比例且同相位；

(3)采用独立模态空间控制法和最大变光强负速度反馈控制律，建立光致伸缩驱动器入射光强与待控模态的模态速度信号的关系如下：

$I\left(t\right)=G\left[\max \right|{\stackrel{·}{\eta }}_i(t-1)\left|\right],$

其中：

t表示时刻，i＝1，2，…，n，i表示第i阶模态，n待控模态个数总和，I为入射光强，G控制增益，模态速度，max表示对t-1时刻的待控前n阶模态速度取最大值；

(4)根据步骤(3)所述的光致伸缩驱动器入射光强与待控模态的模态速度信号的关系，对工控机软件平台进行参数设置，编译调试成功后准备开始控制；

(5)启动宽带调制紫外光源，对智能柔板进行激振，开启激光测振仪，获取结构振动响应信号；

(6)根据设定的控制算法设置工控机操作平台控制命令，依据结构振动响应信号确定入射光的光强并切换其入射方向，实现结构振动主动控制；

(7)从工控机界面观测结构振动控制效果。

本发明是提供一种激光传感、紫外光驱动的柔性结构低频振动无线主动控制方法。该方法应用激光测振仪实现物体表面振动的非接触高精度测量，其测量精度高、抗干扰能力强，同时不影响被测物体的运动，具有很高的空间分辨率。本发明提出的柔性结构低频振动无线驱动方法：极化方向相反的光致伸缩驱动器以对位贴片方式分布在智能柔性结构上下表面，通过切换宽带调制紫外光源的导通开关和调整入射光强的频率成份，使其发出的紫外光交互式垂直照射上下表面的光致伸缩驱动器产生正、负弯曲变形，从而产生控制作用于受控结构。综上，通过本发明的振动主动控制系统能够实现柔性结构的低频(100Hz以下)振动无线主动控制，可以减少导线连接，减轻航空、航天结构的电磁干扰，有助于改善复杂结构的恶劣工作环境。

附图说明

图1是本发明的一个优选实施实例的振动无线主动控制系统结构示意图。

图2是本发明的极化方向相反的光致伸缩驱动对示意图。

图3是本发明的不同极化方向的典型光致伸缩驱动器粘贴方式示意图。

图4是本发明的控制流程框图。

图5是本发明的算法设计流程框图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施实例结合附图说明如下：

参见图1，本发明的模拟柔性结构振动无线主动控制试验平台，包括一个环氧树脂柔板①、一套PLZT光致伸缩驱动网络②、测振点阵列③、一台激光测振仪④、美国NI公司的PXI数据采集与分析系统⑤、一台计算机⑥、一套宽带调制紫外光源⑦。

本发明的柔性结构低频振动主动控制系统，包括复合材料柔性梁、工控机、无线传感、无线驱动装置，极化方向相反的光致伸缩驱动器以对位贴片方式分布在智能柔性结构上下表面，该柔性板以悬臂梁姿态夹持在机械夹持装置上。所述无线传感装置由激光测振仪和美国NI公司的PXI数据采集与分析系统组成，激光测振仪和PXI数据采集与分析系统的各通道为一一对应连接，激光测振仪的输出端与PXI数据采集与分析系统的输入端连接，PXI的输出端与工控机的A/D采集卡连接；激光测振仪的激光头将一束激光投射到测量目标表面上，拾取振动信号，通过激光测振仪的控制器进行信号转换并通过PXI仪器平台传输到用于信号处理的工控机上，经频率和相位解调便可得到运动物体振动速度和位移的时间历程信号，实现物体表面振动的非接触精密测量。所述无线驱动装置由宽带调制紫外光源、光致伸缩驱动器组成，宽带调制紫外光源和光致伸缩驱动器为一一对应布置；宽带调制紫外光源的输入端与工控机的D/A采集卡连接，工控机对接收的振动信号进行主动振动控制算法计算控制处理后，转换为模拟控制量输出至宽带调制紫外光源，宽带调制紫外光源发出的紫外光垂直照射光致伸缩驱动器的表面使其产生弯曲变形，从而产生控制作用于受控结构，实现柔板结构振动响应的实时自适应抵消，以达到主动消除或降低结构振动响应的目的。

如图4/5所示，本实例的模拟柔性结构振动无线主动控制试验方法，采用上述的试验平台进行试验，试验的操作步骤如下：

(1)选用尺寸为1000mm×400mm×1mm(分别为长、宽、高)的环氧树脂板作为模拟柔性太空帆板模型结构①，该结构在固定段根部位置分别开系列螺纹孔，然后用螺丝将结构根部固定在试验台角铁支架上，固定后的尺寸为9000×40×1mm³。

(2)采用有限元分析软件ANSYS对柔板①进行建模分析，获得柔板①的较低频范围各阶固有频率、各阶模态振形和最大应变受力区域等结构振动模态特性。

(3)根据上述步骤(2)获得的结构振动响应特性数据，按照检测/抑制某几个较低阶模态最大应变的要求，选择适合于激光测振仪④的柔板①表面测点位置③，并采用AB胶水将极化方向相反的光致伸缩驱动对②对位粘贴在柔板结构①的双面表面。极化方向相反的光致伸缩驱动对如图2所示，不同极化方向的典型光致伸缩驱动器粘贴方式如图3所示。

(4)调整激光测振仪④的支架高度和位置，使其发出的光垂直照射于柔板①表面的测点上。

(5)由宽带调制紫外光源在光致伸缩驱动器上施加0-100Hz的限带白噪声，以激励复合材料梁结构进行振动，用激光测振仪测量选定测点位置的梁的振动响应，将激励点和响应点的时域信号进行快速傅立叶变换(FFT)，从而可计算出从驱动器到传感器的频率响应函数。

(6)将受控自回归模型和最小二乘法相结合，基于频率响应函数对系统的模态参数进行识别，从而得到系统的状态空间模型的描述。

(7)依据实测的频响函数设计一个特殊的带宽滤波器，该滤波器为一二阶系统，其固有频率近似为实测的待控模态的频率值，当激光测振仪的传感信号输入到系统中后，与待控模态同频率的信号分量被放大，不同频率的部分被抑制，系统的输出信号与待控模态的速度信号成比例且同相位；

(8)本发明采用独立模态空间控制法和负速度反馈控制律，建立光致伸缩驱动器入射光强与激光测振仪传感信号的关系，对每阶待控模态均重复上述过程，推得最终的入射光强。

(9)根据控制算法编写程序，并对工控机软件平台进行参数设置，编译调试成功后准备开始控制。

(10)参照步骤(1)，启动宽带调制紫外光源，对智能柔板进行激振，开启激光测振仪，获取结构振动响应信号。

(11)根据设定的控制算法设置工控机操作平台控制命令，依据结构振动响应信号确定入社光的光强并切换其入射方向，实现结构振动主动控制。

(12)从工控机界面观测结构振动控制效果。