[发明专利]柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置与方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及大型柔性结构振动控制，特别涉及一种柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置。具体说是提供一种模拟太阳帆板的多块铰接板结构，采用压电陶瓷片传感器、加速度传感器、压电陶瓷片驱动器、压电堆驱动器和SMA驱动器优化配置实现弯曲和扭转低频模态振动主动控制装置和方法。

 

背景技术

随着航天事业的飞速发展，航天器需要的能量越来越大，需要的太阳能电池板也越多，太阳能帆板的面积也就越大。这种大型太阳能帆板结构在航天器发射前必须折叠装载，入轨后再展开。同时，为降低发射成本，太阳能帆板结构通常采用轻质材料制造以降低结构重量。有些太阳能帆板是铰链连接的可展开的多体连接结构，这些太阳能帆板具有如下两个结构特点：一是质量轻，跨度大，二是帆板与帆板，帆板与航天器之间构成多体连接运动系统。这些特点导致其具有频率低、阻尼弱、低频模态密集等复杂动力学特性。这些动力学特性导致了扰动可能激起太阳能帆板结构发生复杂的振动。如果没有采用恰当的控制方法对太阳能帆板的振动进行抑制，将会对航天器的在轨运行带来许多问题，如影响航天器的姿势稳定度和指向精度，缩短航天器寿命，甚至造成太阳能帆板结构的破坏，使航天器失效。因此，如太阳能帆板这类大型柔性结构振动的主动控制就成为了当今世界普遍关注而富有挑战性的重要课题和难点。针对航天器太阳能帆板这种柔性结构的振动控制，为保证其工作稳定性，必须使它们具有自适应性和主动控制能力，近年来发展起来的智能结构控制技术对太阳能帆板的振动进行控制提供了思路。

现有技术中，研究模拟太阳能帆板结构的弯曲模态和扭转模态振动控制，一般忽略连接铰链的作用，将太阳能帆板简化成柔性板或柔性梁结构，采用压电片、加速度传感器和角速率陀螺等通过优化配置实现弯曲和扭转模态在检测和驱动上解耦，进行振动主动控制。压电陶瓷材料优良的机电耦合效应使其不仅可作为传感器，也可作为作动器，而且具有响应快、频带宽、线性度好、容易加工等特点，特别适合于太阳能帆板等挠性结构的振动控制应用，但是它的驱动位移较小，无法进行大幅值的变形调整。形状记忆合金材料具有体积小，驱动力大的优点，但由于加热后的冷却时间较长，所以响应速度慢，驱动频率带宽较小，一般将SMA驱动器用于低频振动主动控制。申请人申请的相关专利，专利申请号为200810198924.1，发明名称：“模拟太空帆板弯曲和扭转低频模态振动控制装置与方法”中，利用电阻应变片传感器检测弯曲和扭转低频振动信号，根据检测的振动信号运行相应的控制算法后，驱动相应的SMA弹簧驱动器，分别产生低频弯曲和扭转模态的驱动控制动作，从而抑制大型挠性悬臂板的低频弯曲和扭转模态振动。但是在该申请专利中将太阳能帆板简化成柔性板结构，忽略了连接铰链的作用，动力学特性与实际的太阳能帆板结构存在差异。对于铰接多块板的太阳能帆板结构，可以充分发挥压电陶瓷材料和形状记忆合金材料各自的优点，考虑用压电陶瓷片传感器和加速度传感器分别检测弯曲和扭转模态振动信号，再通过压电陶瓷片驱动器、压电堆和SMA驱动器的优化配置实现对铰接柔性板结构的弯曲和扭转低频模态的主动控制。

 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置。该发明的另一个目的在于提供利用上述装置的弯曲和扭转低频振动的控制方法，为研究铰接柔性板结构振动测量和控制提供平台。

为达到上述目的，本发明采用如下的方法和技术方案：

所述的柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置与方法，其特征在于该装置包括铰接板本体部分、检测部分和控制部分；

——铰接板本体部分包括：

柔性板Ⅰ3通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7通过铰链Ⅰ5和铰链Ⅱ18连接，柔性板Ⅱ7和柔性板Ⅲ11通过铰链Ⅲ9和铰链Ⅳ15连接；

压电陶瓷片传感器Ⅰ2粘贴在柔性板Ⅰ3的长度方向固定端一侧，宽度方向的中线处；压电陶瓷片传感器Ⅱ10、压电陶瓷片传感器Ⅲ14分别粘贴在柔性板Ⅲ11上，铰链Ⅲ9和铰链Ⅳ15的右侧；压电陶瓷片驱动器Ⅰ1、压电陶瓷片驱动器Ⅱ20分别粘贴在柔性板Ⅰ3在长度方向固定端一侧，宽度方向的中线两侧的对称位置；

加速度传感器Ⅰ12、加速度传感器Ⅱ13分别安装在柔性板Ⅲ11自由端的两个边角处，加速度传感器Ⅰ12位于柔性板Ⅲ11背面的上端边角处，加速度传感器Ⅱ13位于柔性板Ⅲ11正面的下端边角处；加速度传感器Ⅰ12、加速度传感器Ⅱ13分别距离柔性板长度和宽度边沿各20-50mm；