[发明专利]一种基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法

说明书

本发明涉及一种基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，主要是通过分析褶皱形态对薄膜结构动态特性的影响，建立了褶皱薄膜的动态模型；利用模态叠加法得到以固有振型为基础的空间向量，建立了不同载荷下褶皱薄膜的动力学模型；根据各阶模态对系统振动变形的贡献，对动力学模型进行缩聚，从而建立了面向控制的薄膜结构动力学模型；采用模型参考自适应控制器，结合PID控制器，提出了一种基于面内调控多模型切换的PID‑MRAC控制方法，本发明的方法无需在薄膜表面粘贴作动器，可有效地抑制薄膜面外振动，不会影响薄膜本身的特性，保证薄膜结构的稳定性，比传统的PID控制方法下的振动时间缩短了约39.7％。

技术领域

本发明属于控制工程技术领域，具体涉及一种基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，用于更简单且更有效地抑制薄膜振动。

背景技术

褶皱的出现显著降低了薄膜的表面精度，对薄膜结构的动态特性也存在一定影响，在无空气阻尼的太空环境中，薄膜结构一旦受到外界扰动，膜面振动将很难停止，加之薄膜本身的柔性特性对保证在轨稳定性和可控性带来一定难度，因此对褶皱薄膜的调控面临着严峻的挑战。国内外学者已开展的研究，目前，已有的动态调控方法主要有两类。

一类是通过在薄膜表面粘贴作动器来抑制薄膜的振动。Renno针对薄膜条结构，提出了一种非线性控制方法。Ruggiero在薄膜镜表面分布多个压电作动器，设计了LQR(linear quadratic regulator)控制系统，Ferhat在此基础上提出了基于变分原理的求解方法，随后，针对一个四边固支的方形薄膜结构，通过在表面粘贴四个压电作动器，达到抑制振动的目的。然而对于超薄的薄膜材料，直接在其表面粘贴作动器，很难实现合理的布线，粘接处很容易出现褶皱，同时粘贴作动器后会改变局部的厚度和刚度，继而改变薄膜应力分布，最终影响薄膜结构动态特性。

另一类是通过在设置面外调节拉索，来抑制膜面振动。Sakamoto提出了索网薄膜结构，并且针对索网结构提出了一种LQR控制方法，通过在边索安装垂直于膜面方向的作动器，同时在拉索和薄膜连接处安装面内作动器，来抑制振动。如果在每一个连接点都安装作动器，会大大增加薄膜结构的整体质量，而且垂直膜面方向的作动器在实际工程应用中不易实现。无论是在薄膜上粘贴作动器，还是设置面外调节索，都是通过施加面外作用力抑制振动，需要安装附加结构，工程实现上难度大。因此，亟需一种合理的控制方法，不需要在薄膜上粘贴作动器，即可达到抑制振动的目的。

综上所述，对于薄膜结构的动态调控方面，主要是通过在薄膜表面或者在边界拉索上安装压电作动器，通过面外控制达到抑制振动的目的。不仅布线和安装困难，直接在薄膜表面粘贴作动器，还会改变薄膜的应力分布，影响结构动态性能。因此不使用面外作动器，仅通过面内控制有效地抑制薄膜结构面外振动成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术分析方法的不足，提供一种基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，达到易于工程实现，同时能够更有效地抑制薄膜面外振动。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，其包括以下步骤：

(1)引入褶皱变形函数，建立褶皱薄膜的振动模型；

(2)用有限元屈曲分析方法确定出褶皱薄膜的褶皱形态，更新有限元分析模型，并进行模态分析，得到步骤(1)振动模型在引入褶皱信息后的振动特性；

(3)根据步骤(2)中得到的振动特性，用模态叠加法得到以固有振型为基础的空间向量，建立不同载荷下褶皱薄膜的动力学模型；

(4)根据各阶模态对系统振动变形的贡献，对步骤(3)不同载荷下褶皱薄膜的动力学模型进行缩聚，建立面向控制的薄膜结构动力学模型；

(5)结合步骤(4)的面向控制的薄膜结构动力学模型以及驱动装置的动力参数，建立驱动模型；