[发明专利]一种最小化振动的智能结构动态变形控制方法

说明书

本发明公开了一种最小化振动的智能结构动态变形控制方法，具体包括：S1.建立智能结构变形的振动方程；S2.利用步骤S1所述振动方程，导出终端t_f时刻结构指定变形的描述方程；S3.导出步骤S1中振动方程的状态空间方程；S4.设计使结构振动过程最小化的二次性能指标；S5.设计使结构振动过程和终端振动最小化的二次性能指标；S6.完成控制器相关矩阵微分方程的求解；S7.构造作动器最优加载形式的控制律；S8.将最优控制律代入智能结构变形的振动方程，得到最优加载形式下的结构动态变形响应和作动器最优加载历程。本申请将动态变形过程的微分方程引入性能指标，给出的智能结构动态变形过程更为光滑，终端时刻残余振动更小。

技术领域

本发明属于结构形状控制、振动控制技术领域，具体说是一种最小化振动的智能结构动态变形主动控制方法。

背景技术

利用压电结构(如PZT、MFC)等作动器驱动智能结构变形可以实现柔性结构的不同工作状态、不同工作任务以及不同功能等。通常上智能结构变形的主动控制一般分为静态变形控制和动态变形控制。静态变形控制主要研究达到结构指定形状所需要的稳态驱动力，对压电驱动结构则对应于求解驱动电压。在变形过程相对缓慢的情况下，可以将变形控制过程看作静态和准静态问题进行分析求解。然而，研究发现对于快速变形需求的问题，不同的加载形式(如阶跃形式、斜坡形式等)对柔性结构的动态性能有很大的影响，不恰当的加载形式将往往会导致柔性结构出现较大的瞬态振动或残余振动，影响结构变形的精度和结构性能。例如，研究发现智能机翼在作动器采用斜坡加载形势下将会产生明显的结构振动和气动力振荡，严重影响其飞行性能。因此智能结构的动态变形控制得到了广泛关注，研究者希望通过优化作动器加载形式来实现柔性结构连续、平滑的动态变形过程，尽量减小结构在变形过程中的振动和达到指定形状后的残余振动。

目前结构动态变形控制主要采用规划和控制两类方法，然而，无论哪种方法，优化目标的设计最终决定了作动器的加载历程，将直接影响结构动态变形控制效果。

发明内容

针对智能结构动态变形过程中不恰当的作动器加载形式引起结构瞬态振动和残余振动的问题，本发明提出了一种新的优化目标设计方法，并基于最优控制理论提出了一种最小化振动的智能结构动态变形控制方法，给出了作动器最优加载形式的控制律。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种最小化振动的智能结构动态变形控制方法，具体包括如下步骤：

S1.建立智能结构变形的振动方程，如下：

y＝Gx\*MERGEFORMAT(2)

其中输入u为作动器的加载历程，输出y为关心的结构位移；x表示结构的物理位移，或表示结构的模态位移；如果x是结构的物理位移，则M、S、K、B₁和G则分别是对应的质量阵、阻尼阵、刚度阵、作动力位置矩阵和输出矩阵；如果x是结构的模态位移，则M、S、K、B₁和G则分别是对应的模态质量阵、模态阻尼阵、模态刚度阵、模态作动力位置矩阵和模态输出矩阵；为x的一阶导数，为x的二阶导数；

S2.利用步骤S1所述振动方程，将终端t_f时刻结构的指定形状y_f描述为

y_f＝y(t_f)＝Gx(t_f)\*MERGEFORMAT(3)

S3.导出步骤S1中振动方程的状态空间方程；

S4.设计使结构振动过程最小化的二次性能指标J；

S5.设计使结构振动过程和终端振动最小化的二次性能指标

S6.完成控制器相关矩阵微分方程(X、F_m、G_m)的求解；