[发明专利]基于形态感知的太空帆板结构低模态振动主动控制方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种太空帆板结构低模态振动主动控制方法和装置，特别涉及一种基于结构振动形态信息感知的太空帆板结构低模态振动主动控制方法与装置。

背景技术

由于太阳能帆板、大型卫星天线等空间柔性结构，需要在长期运行期间保持很高的运行精度，通常对振动环境有着极为严格的要求，而这类结构一般具有低刚度小阻尼，固有频率较低和模态密集的特征，同时太空环境又无外阻，因此极易受到扰动影响而发生振动，且使得绝大数常规振动监测与控制方法难以达到技术要求。如航天器在太空运行时，一旦受到机动、折叠结构展开等因素激励，或受到宇宙风、微粒子流等外扰作用产生振动，如果不采取有效的振动监测与抑振措施，其大幅度的振动要延续很长时间，不仅影响到柔性结构本身的工作性能，而且通过与主体的耦合作用，进而可产生影响航天器的姿态稳定和定向精度问题；长期和强烈的振动还将造成结构疲劳破坏，导致系统性能下降甚至失效，直接威胁航天结构的安全。因此研究大型柔性航天结构的振动监测与控制问题，历来是航空航天技术发展中的一个重要领域和难点课题，美国国家研究理事会在《新世纪太空技术》报告中，就将“在失重条件下使各种柔性结构、天线和望远镜保持稳定”列为影响太空探索的六大关键技术之一。

现有技术中，研究用于太空帆板结构振动主动控制的驱动材料中，压电材料PZT/PVDF的研究应用可以认为是最具代表性的成果，压电材料由于存在正逆压电效应，用作驱动器时，具有低功耗、电操作、频带宽和力由自身内部产生的特点，因此非常适合航空航天结构监测与控制的需要，但压电材料的不足是作为驱动器时输出力矩不够大，因此其对高频振动进行控制可以达到较好的效果，而对于结构低模态大幅度的振动响应，则控制效果却不甚明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于结构振动形态信息感知的太空柔性帆板结构低模态振动主动控制方法与装置，本发明不受电磁干扰影响，提高了检测稳定性，具有较高的检测精确度和振动形态重建优越性。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于振动形态感知的太空帆板结构低模态振动主动控制方法，其特征是利用分布植入式光纤光栅传感网络对帆板结构的振动形态进行实时感知，并根据感知获得的结构振动信息产生控制策略，通过控制驱动单元产生控制动作以驱动形状记忆合金弹簧组，利用SMA弹簧的形状记忆效应和超弹性效应，实现帆板结构振动响应的抵消和振动能量的消耗，从而实现消除或降低结构振动响应的目的。

上述的控制策略是在结构振动形态感知的基础上形成的：分布植入光纤光栅传感网络感知太空帆板结构表面离散测量点的应变变化，此数据由光纤光栅网络信号分析仪通过软件实时提取并转化为曲率信息，此后基于开发的测控软件利用曲率信息空间曲面拟合算法，拟合计算出曲面上各点位置坐标，一方面在计算机屏幕上三维重建显示帆板结构振动形态，另一方面产生振动主动控制策略，并通过计算机接口发送给SMA(形状记忆合金)弹簧驱动模块，此模块根据接收到的控制策略和命令，生成控制信号驱动SMA弹簧组，进而产生控制力，以达到减小或消除结构振动水平的目的。

一种基于结构低模态振动形态感知的太空帆板振动主动控制方法，采用上述装置进行检测与控制，至少需要以下几个步骤：

1.帆板结构振动形态的实时感知

本发明通过分布式光纤光栅传感网络对结构振动状况进行检测，这种方式通过感知帆板表面应力的变化，由所开发的测控软件获得光栅传感器反馈的波长信息，然后将其转化为曲率值，并通过插值使其连续化，之后利用一定的平面曲线拟合算法拟合帆板上各条曲线，并通过合成获得空间曲面上各点的位置信息，利用软件不断调用检测过程，以实现太空柔性帆板结构振动形态的实时感知。

2.控制策略的生成

首先确定形状记忆合金SMA弹簧组所布置的位置，然后在测控软件平台环境下根据此位置搜索出其对应的曲率，根据曲率Q生成相应的控制信息。具体过程为：设定曲率阈值为m，如果Q＞m并且正在减小，则布置在此点反面的记忆合金弹簧通电；反之，如果Q＜-m并且正在增加，则布置在此点正面的记忆合金弹簧动作。通过试验设定每次通电的最佳时间，利用合金弹簧的形状记忆特性和超弹性效应作为结构振动响应抵消器和耗能器，实现主动抑制帆板结构的低模态大幅度振动响应。

3.驱动控制模块

驱动控制模块主要是利用较为成熟的单片机控制技术，实现控制策略的接收和处理，主要包括基于C51系列单片机的测控单元、串口通讯单元、继电器驱动单元以及电路保护单元。控制策略通过串口接受，然后利用程序对控制策略进行解析，根据解析结果实现控制模块上继电器的状态控制，从而实现控制信号的输出。