柔性结构形状无线主动控制方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种柔性结构形状主动控制方法及装置，尤其涉及一种基于光致伸缩驱动器的柔性结构形状无线主动控制方法及装置，属于形状主动控制领域。
【背景技术】
[0002]随着空间科学技术的飞速发展，空间结构系统的形状及其所承担的任务愈来愈复杂，结构中的挠性部件也变得越来越多，例如太阳能帆板、大型抛物面天线、高灵敏度射电望远镜的反射面、空间机械臂等等。这些空间结构需要在相当长的运行时间内保证很高的形状精度，而这些结构常常采用轻质材料来制作，轻质材料具有较小的刚度，从而加大了结构的柔性与形状的易变性，在工作环境中一旦受到某种激励的作用，这些刚度低、内阻小的空间柔性结构就会产生很大幅度的变形。这不仅会直接影响空间结构的运行精度，如妨碍太阳能帆板跟踪太阳、卫星天线和望远镜的指向精度以及空间机械臂定位精度，还将使结构过早破坏。被动地提高空间结构的刚度、强度等传统的设计方法在现行的分析、设计条件下显然是无法满足要求的。因此，为了提高空间结构的工作性能和精度，必须对结构进行无线主动控制。
[0003]早期，大型航天结构、高精密结构的静、动态形状控制问题常常借助压电驱动器及压电感应器来实现，但是基于压电材料的驱动器和感应器附加设备复杂，且易受电磁噪音干扰，难以实现轻质、微小型化，在实现空间智能结构形状控制的过程中呈现出较大的局限性。
[0004]综上所述，开展柔性结构的形状主动控制研宄，不仅能进一步增强学科发展的国际竞争力，促进结构形状主动控制理论的发展、完善和工程应用，而且对提高空间结构的工作性能和精度具有重要的理论意义和应用价值。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于光致伸缩驱动器的柔性结构形状无线主动控制方法及装置，可大幅降低电磁干扰，提高结构的工作性能和控制精度，为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。
[0006]本发明的技术方案具体如下:
[0007]一种基于光致伸缩驱动器的柔性结构形状无线主动控制方法，光致伸缩驱动器的分布位置和数量，以及各光致伸缩驱动器表面所照射的光强值利用递阶遗传算法得到，具体包括下列步骤:
[0008](I)形状无线主动控制系统的初始化:
[0009]输入递阶遗传算法的控制参数、目标节点的期望位移，初始化染色体的控制基因和参数基因；
[0010](2)根据控制基因解码:
[0011]个体染色体的控制基因为O和I组成的数字串，控制基因的长度与光致伸缩驱动器的个数相同，其每一位对应一个光致伸缩驱动器的分布信息和一段参数基因编码，若某一位上控制基因为O，则表示对应位置上无光致伸缩驱动器且对应的参数基因处于休眠状态，不参与解码，程序跳过此段参数基因，进入判别和解码下一段参数基因的状态；若控制基因编码为1，则表示对应位置上存在光致伸缩驱动器且对应的参数基因处于激活状态，参与解码，解码成功后进入判别和解码下一段参数基因的状态；根据控制基因依次解码，直至染色体全部解码成功；
[0012](3)生成新的有限元模型的数据文件:
[0013]首先读取层合光致伸缩驱动器的柔性结构的有限元模型数据文件，然后根据控制基因修改光电层合结构的有限元网格:若某一位上控制基因为0，则删除基体结构对应位置上的光电单元；反之则保留；计算修改后的有限元模型的单元节点编号和节点坐标，最终生成新的有限元模型的数据文件；
[0014](4)计算个体的适应度值:
[0015]根据步骤(2)中解码出的光强值和步骤(3)中生成的数据文件求解目标节点的实际位移；将目标节点的实际位移和目标节点的期望位移代入适应度函数，计算个体的适应度值；
[0016](5)判断收敛:
[0017]判断是否满足停止条件，若满足，则停止递阶遗传运算并转至步骤(7);否则，继续进行递阶遗传运算；
[0018](6)生成新一代种群:
[0019]对种群中每个个体的控制基因和参数基因分别进行各自的遗传操作，将经过选择、交叉、变异操作后的新个体写入到新一代种群中，并检查新一代种群的控制基因，若存在柔性结构的上下表面对应位置上的控制基因均为I的情况，则将下层对应位置上的控制基因由I置换为0，返回步骤(2)，继续进行递阶遗传运算；
[0020](7)输出结果:
[0021]输出光致伸缩驱动器的分布位置和数量，以及各光致伸缩驱动器表面所照射的光强值。
[0022]一种基于光致伸缩驱动器的柔性结构形状主动控制装置，用于对柔型结构的形状进行主动控制，所述控制装置包括:光致伸缩驱动器、控制单元、光源；控制单元与光源信号连接并可对其输出光强进行控制；所述控制单元通过如上所述基于光致伸缩驱动器的柔性结构形状无线主动控制方法获得光致伸缩驱动器的分布位置和数量，以及各光致伸缩驱动器表面所照射的光强值；所述光致伸缩驱动器的数量与控制单元获得的光致伸缩驱动器的数量相同，并按照控制单元所得到的光致伸缩驱动器的分布位置分布于所述柔型结构的表面；所述光源的数量与光致伸缩驱动器的数量相同，且与各光致伸缩驱动器一一对应地设置；控制单元根据所获得的各光致伸缩驱动器表面所照射的光强值，控制各光致伸缩驱动器所对应的光源输出相应的光强。
[0023]优选地，所述光致伸缩驱动器为锆钛酸铅镧陶瓷(简称PLZT)光致伸缩驱动器，所述光源为UV紫外光源。
[0024]相比现有技术，本发明具有以下有益效果:
[0025](I)本发明提高了基于光致伸缩驱动器的柔性结构形状无线主动控制方法的控制精度，而且收敛速度快，有利于该项技术的实用化；
[0026](2)与现有的形状无线主动控制方法相比，本发明可同时实现光致伸缩驱动器的分布及其输入光强的优化，无需预先知道光致伸缩驱动器的分布位置和数量，递阶编码方式使染色体编码不仅包含了各驱动器输入光强的信息，也包括了驱动器位置、数量等拓扑信息，较传统遗传算法提供了更广阔的设计空间；
[0027](3)本发明方法采用光致伸缩驱动器，控制信号不通过硬性连接传输，避免了外加电磁场对驱动器和感应器的影响。
【附图说明】
[0028]图1是光致伸缩驱动器结构示意图。
[0029]图2是光_电-热-力多能场親合下的光致伸缩效应不意图。
[0030]图3是本发明利用递阶遗传算法得到光致伸缩驱动器控制参数的算法流程示意图。
[0031]图4是本发明的一个优选实施实例的形状无线主动控制系统结构示意图，图中，I为环氧树脂柔性梁，2为PLZT光致伸缩驱动器，3为计算机，4为UV紫外光源。
[0032]图5是本发明的悬臂梁层合光致伸缩驱动器的基本结构示意图。
[0033]图6是本发明的个体染色体的编码示意图。
[0034]图7是本发明的形状无线主动控制算法的输出结果示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
[0036]本发明方法采用光致伸缩驱动器(优选基于PLZT材料的光致伸缩驱动器)，其在高能光照射下具有光致伸缩效应，因此可利用光照实现驱动，将其层合于柔性结构上可实现柔性结构的非接触形状控制，这样控制信号不通过硬性连接传输，避免了外加电磁场对驱动器和感应器的影响。光致伸缩驱动器的基本结构如图1所示，其实现光致伸缩的原理如图2所示。
[0037]本发明应用结构拓扑优化、递阶遗传算法和有限元法，以光致伸缩驱动器的拓扑分布和照射的光强值为设计变量，以光电层合结构的期望形状与控制形状的差值函数为适应度函数，优化了光致伸缩驱动器的分布和所照射的光强值。本发明利用递阶遗传算法得到光致伸缩驱动器控制参数(包括光致伸缩驱动器的分布位置和数量，以及各光致伸缩驱动器表面所照射的光强值)的流程如图3所示，具体包括以下步骤:
[0038](I)输入递阶遗传算法的控制参数:包括种群大小、选择策略、交叉策略、交叉概率、变异策略、变异概率、终止进化代数、光强变化范围的上下限以及控制基因和参数基因各自的交叉策略、交叉概率、变异策略、变异概率等；
[0039](2)输入目标节点的期望位移:首先根据期望函数计算选定的目标节点处的位移，然后编写相应的数据文件，最终由计算机程序读取该数据文件；
[0040](3)初始化染色体的控制基因和参数基因由计算机程序随机生成遗传算法的初始种群。在递阶遗传算法中染色体包含两部分:控制基因和参数基因，