致伸缩驱动器的基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，则删除基结构对应位置上的光电单元；反之则保留。例如，如图5所示的基结构的有限元模型，根据图6所示的控制基因修改后，可以得到如图7所示的新的悬臂梁层合光致伸缩驱动器的有限元模型。计算修改后的有限元模型的节点总数、单元总数、光电单元总数、节点坐标和光电单元的节点编号，生成新的悬臂梁层合光致伸缩驱动器的有限元模型数据文件。
[0061](7)将步骤(5)中解码出的光强值和步骤(6)中生成的数据文件代入有限元程序，求解目标节点的实际位移。
[0062](8)将步骤(7)中得到的目标节点的实际位移和步骤(3)中读取的目标节点的期望位移代入适应度函数F = -Σ I Wd⑴-w。(i) I中计算个体的适应度值，其中wd(i)为目标节点的期望位移，Wc;(i)为目标节点的实际位移。
[0063](9)若当前种群中最优个体的适应度值满足F>-1.0*10_5或者当前种群已执行到终止进化代数，则停止递阶遗传运算并转至步骤(14);否则，继续进行递阶遗传运算。
[0064](10)按照锦标赛选择策略，每次从种群中取出两个个体构成一个个体组，然后从每个个体组中选择最好的一个个体进入子代种群，重复该操作直到新的种群规模达到种群的初始规模。同时执行最优保存策略，将当前种群中适应度最优的个体完整地复制到下一代群体中。
[0065](11)按照均匀交叉方法执行控制基因的交叉操作，将两个配对的个体的所有控制基因座上的对应基因以交叉概率进行交换，形成新个体的染色体的控制基因；按照算术交叉方法执行参数基因的交叉操作，将两个配对个体的参数基因进行线性组合，产生新个体的染色体的参数基因。
[0066](12)按照基本位变异方法执行控制基因的变异操作，以变异概率对个体控制基因中各个基因座上的原有基因值做取反运算；按照均匀变异方法执行参数基因的变异操作，以变异概率用参数基因取值范围内均匀分布的随机数替换个体参数基因中各个基因座上的原有基因值。
[0067](13)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，保留上一代种群中适应度最优的个体，然后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O，即将下层对应位置上的驱动器删除，返回步骤(5)，继续进行递阶遗传运算。
[0068](14)由控制基因输出光致伸缩驱动器的分布位置和数量，控制基因编码为I所对应的位置上粘贴光致伸缩驱动器，相应位置的参数基因经解码后得到对应位置处光致伸缩驱动器表面所照射的光强大小。输出的光致伸缩驱动器的分布位置和数量，以及其表面所照射的光强值，如图7所示。
[0069](15)将环氧树脂柔性结构I以悬臂梁姿态夹持在机械夹持装置上，按照步骤(14)中的输出结果布置柔性结构I上光致伸缩驱动器2的分布，并使用AB胶水将驱动器2粘贴在柔性结构I的表面。
[0070](16)将UV紫外光源4和光致伸缩驱动器2——对应布置，UV紫外光源4的输入端和计算机3的输出端连接，计算机3求解的光强值经处理转换为模拟控制量后，输出至UV紫外光源4。
[0071](17)调整UV紫外光源4，使紫外光垂直照射于柔性结构I上光致伸缩驱动器2的表面，从而产生控制作用于柔性结构1，实现结构形状无线主动控制。
[0072]观测结果显示，当按照控制系统的输出结果来配置光致伸缩驱动器的分布并施加相应的光强值时，悬臂梁的控制形状可以很好地匹配与期望形状，且误差非常小，完全可以满足空间结构对形状精度的要求。本发明技术方案可以满足大型空间天线、在轨航天器、太空望远镜以及精敏光学仪器等结构在形状精度方面的高灵敏度要求，有助于实现空间智能结构控制系统的轻质、微小型化。
【主权项】
1.一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，其特征在于，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: (1)形状无线主动控制系统的初始化: 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； (2)根据控制基因解码: 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； (3)生成新的有限元模型的数据文件: 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O，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； (4)计算个体的适应度值: 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； (5)判断收敛: 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； (6)生成新一代种群: 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O，返回步骤(2)，继续进行递阶遗传运算； (7)输出结果: 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。
2.一种基于光致伸缩驱动器的柔性结构形状无线主动控制装置，用于对柔性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；其特征在于，所述控制单元通过如权利要求1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。
3.如权利要求2所述基于光致伸缩驱动器的柔性结构形状无线主动控制装置，其特征在于，所述光致伸缩驱动器为PLZT光致伸缩驱动器，所述光源为UV紫外光源。
4.如权利要求3所述基于光致伸缩驱动器的柔性结构形状无线主动控制装置，其特征在于，所述PLZT光致伸缩驱动器粘接于柔性结构表面。
5.如权利要求4所述基于光致伸缩驱动器的柔性结构形状无线主动控制装置，其特征在于，所述PLZT光致伸缩驱动器通过AB胶粘接于柔性结构表面。
【专利摘要】本发明公开了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，属于形状主动控制领域。本发明方法应用结构拓扑优化、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。然后按照上述优化结果布置柔性结构上驱动器的分布，并控制照射于各光致伸缩驱动器表面的光强，从而实现光致伸缩层合结构的形状无线主动控制。本发明还公开了一种基于光致伸缩驱动器的柔性结构形状无线主动控制装置。本发明柔性结构在形状精度方面的高灵敏度要求，有助于实现空间智能结构控制系统的轻质、微小型化。
【IPC分类】G06N3-12, G06F19-00
【公开号】CN104573325
【申请号】CN201410776728
【发明人】郑世杰, 张晓飞, 王宏涛, 赵彧, 杨柳青, 蔡鹏越, 郝煜坤
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月15日