专利名称：基于新型多片组合驱动器构型的振动非接触主动控制装置及方法
技术领域：
本发明属于振动控制技术领域，具体涉及一种基于新型多片组合驱动器构型的振动非接触主动控制装置及方法。
背景技术：
随着航空航天技术的飞跃式发展，人类空间活动的规模日益扩大，对空间结构的 性能要求将越来越严格。目前，航空、航天结构中的柔性部件越来越多，这些大型空间柔性结构通常由轻质复合材料制作，运行中一旦受到某种扰动的作用，就会产生大幅度长时间的振动，直接影响航空、航天结构的精确运行和正常工作，国内外由于柔性体振动而导致整个航天结构性能下降、甚至瘫痪的例子很多。例如，美国发射的陆地卫星II的观测仪旋转结构，由于受到太阳能帆板驱动系统的干扰而振动，大大降低了传送图像的质量；哈勃望远镜因其太阳能帆板的热胀冷缩，引起了某些低频结构的振动，导致观测精度降低；我国研制的中巴资源一号02星在地面测试中，动量轮的偏心质量引起CCD相机安装支座的振动，造成侧视反射镜响应严重超标。可见，从根本上减小振动影响、全面提高结构性能，实现柔性结构的振动控制具有非常重要的理论意义和工程实用价值。柔性结构的振动主要集中在低频，传统的被动控制方法对低频振动的控制效果有限，难以满足应用要求。随着微处理器技术、信号处理技术、传感器和驱动器技术的发展，集传感、驱动和控制于一体的柔性智能结构振动主动控制技术应运而生，为柔性结构低频振动问题的解决开辟了一条崭新的途径。世界各主要发达国家先后启动的智能结构系统研究计划中都将振动主动控制列为主要研究内容之一，如美国的DARPA智能材料结构战略研究计划、NASA下一代空间望远镜计划、SMASH计划等；再如，意大利航空研究中心针对飞机发动机的振动、噪声主动控制制定了专门研究计划，并拟于未来20年将主动减振降噪等重大技术成就应用在商业飞机上，以实现更高性能的航空系统。纵观现有的复合材料柔性曲壳I振动非接触主动控制研究工作，还存在着一个棘手的问题即PLZT驱动器的膜控制力为单向的问题。压电驱动器(简称PZT)在常规的振动主动控制中获得了广泛的应用，PLZT驱动器与PZT驱动器的一个明显区别是激励信号光强只能是正的，不能像电压信号那样既可为正亦可为负，因此在非接触振动主动控制中通常需要将PLZT驱动器粘贴在被控结构上、下表面，当结构向上振时，照射上表面的驱动器，向下振时照射下表面的驱动器，这样无疑可对被控结构产生正、负控制力矩。现有的理论研究都认为PLZT驱动器产生的薄膜控制力的正负可以像控制力矩那样由紫外光的照射方向来改变，但这完全是一个理论与实验研究相脱离造成的“真实的谎言”，最新实验研究表明，无论照射上或下表面，PLZT驱动器产生的膜控制力恒为正，即PLZT驱动器的光致电压方向永远与其极化方向一致，因此PLZT驱动器在紫外光的照射下只能伸长，不能缩短，其变形方式与紫外光的照射方向及驱动器的极化方向无关！鉴于曲壳振动主动控制中薄膜控制力占有着主导地位，而PLZT驱动器产生的薄膜控制力却是单向的。发展基于极化方向不同的多片PLZT的新型复合驱动方式，进而解决PLZT驱动器的激励力为单向问题，未见报道。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，提出了基于新型多片组合驱动器构型的振动非接触主动控制装置及方法，所述装置包括复合材料柔性曲壳、工控机、无线传感和无线驱动模块，所述方法能够实现柔性复合材料柔性曲壳的低频(100Hz以下)振动非接触主动控制，可以对减轻航空、航天结构的电磁干扰、改善其工作环境，推动振动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。本发明的技术方案为基于新型多片组合驱动器构型的振动非接触主动控制装置，包括工控机、无线传感装置、复合材料柔性曲壳、新型多片组合驱动器构型和UV-LED光源模块，所述UV-LED光源模块设有照射头和光源输入端,所述复合材料柔性曲壳夹持在一个机械夹持装置上；所述无线传感装置包括激光测振仪和PXI数据采集分析系统；所述新型多片组合驱动器构型设置在复合材料柔性曲壳上，激光测振仪与PXI数据采集分析系统通过信号线相连接，所述新型多片组合驱动器构型与所述工控机通过UV-LED光源模块连接在一起，所述PXI数据采集分析系统与所述工控机通过一个接口设备连接在一起，所述 激光测振仪能够投射激光到复合材料柔性曲壳的表面上；所述新型多片组合驱动器构型由三片尺寸相同的单晶片构成，其中两片极化方向相同的单晶片背对背布置，用不导光并隔热的胶黏剂粘接在一起，构成一只同极化晶片，在所述同极化晶片的左右侧表面上镀有左公共电极和右公共电极，另外一片单晶片的极化方向布置与前两片的极化方向相反，构成一只反极化晶片。所述左公共电极与反极化晶片的左侧表面电极通过导线连接在一起，所述右公共电极与反极化晶片的右侧表面电极通过导线连接在一起，所述同极化晶片粘贴在所述复合材料柔性曲壳的下表面，反极化晶片粘贴在复合材料柔性曲壳的上表面，所述照射头分别与同极化晶片和反极化晶片一一对应布置，所述光源输入端与工控机的D/A采集卡连接，工控机对接收的振动信号进行主动振动控制算法计算控制处理后，转换为模拟控制量输出至UV-LED光源模块，UV-LED光源模块发出的紫外光垂直照射同极化晶片或反极化晶片的表面使其产生变形，从而产生控制作用于复合材料柔性曲壳，实现复合材料柔性曲壳振动响应的实时自适应抵消。UV-LED光源模块发出的紫外光不同时照射同极化晶片和反极化晶片。所述新型多片组合驱动器构型既能产生正向膜控制力又能产生负向膜控制力。基于新型多片组合驱动器构型的振动非接触主动控制方法，包括如下步骤第一步，利用敲击的办法对复合材料柔性曲壳进行激振，以激励复合材料柔性曲壳进行振动，用激光测振仪测量选定测点位置的复合材料柔性曲壳的振动响应，将激励点和响应点的时域信号进行快速傅立叶变换(FFT)，计算出从新型多片组合驱动器构型到激光测振仪的测振点阵列的频率响应函数；第二步，依据实测的频率响应函数设计一个特殊的带宽滤波器，所述带宽滤波器为二阶系统，其固有频率近似为实测的待控模态的频率值，当激光测振仪的传感信号输入到系统中后，与待控模态同频率的信号分量被放大，不同频率的部分被抑制，系统的输出信号与待控模态的模态速度信号成比例且同相位；
第三步，紫外光照射方向的切换函数选取为片％叻= ζ /^ 7+々,其中η是模态位移，树莫态速度，^nm是为mn阶模态的阻尼比，ω·为mn阶模态的固有频率，依据切换函数的符号改变紫外光的照射方向，当^7，奶>0时，照射复合材料柔性曲壳上表面的反极化晶片；sin，々)< ο时，照射复合材料柔性曲壳下表面的同极化晶片；第四步，采用独立模态空间控制法和光强模糊控制律，建立新型多片组合驱动器构型入射光强与待控模态的模态位移、模态速度信号的关系，根据设定的控制算法设置工控机操作平台控制命令，依据结构振动响应信号确定入射光的光强，通过切换紫外光入射方向和光强大小，实现结构振动主动控制，所述控制算法为当圆柱薄壳在外加激励的作用下产生振 动，激光测振仪检测振动位移量η，反馈给模糊控制器进行闭环控制。这里将检测位移，同时取其微分后，分别乘以量化因子Kd和Ku后转化到基本论域[-3，3]，对应的模糊语言变量分别为$和$，语言值均为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，记为{NB，匪，NS，Ζ0，PS，PM，PB}。利用
图10所示的三角形隶属度函数将论域内集合元素模糊化。这里将模糊量化因子Kd和Ku调整律取为
当
权利要求
1.基于新型多片组合驱动器构型的振动非接触主动控制装置，其特征是包括工控机、无线传感装置、复合材料柔性曲壳、新型多片组合驱动器构型和υν-LED光源模块，所述UV-LED光源模块设有照射头和光源输入端，所述复合材料柔性曲壳夹持在一个机械夹持装置上；所述无线传感装置包括激光测振仪和PXI数据采集分析系统；所述新型多片组合驱动器构型设置在复合材料柔性曲壳上，激光测振仪与PXI数据采集分析系统通过信号线相连接，所述新型多片组合驱动器构型与所述工控机通过UV-LED光源模块连接在一起，所述PXI数据采集分析系统与所述工控机通过一个接口设备连接在一起，所述激光测振仪能够投射激光到复合材料柔性曲壳的表面上；所述新型多片组合驱动器构型由三片尺寸相同的单晶片构成，其中两片极化方向相同的单晶片背对背布置，用不导光并隔热的胶黏剂粘接在一起，构成一只同极化晶片，在所述同极化晶片的左右侧表面上镀有左公共电极和右公共电极，另外一片单晶片的极化方向布置与前两片的极化方向相反，构成一只反极化晶片。
2.根据权利要求I所述的基于新型多片组合驱动器构型的振动非接触主动控制装置，其特征是所述左公共电极与反极化晶片的左侧表面电极通过导线连接在一起，所述右公共电极与反极化晶片的右侧表面电极通过导线连接在一起，所述同极化晶片粘贴在所述复合材料柔性曲壳的下表面，反极化晶片粘贴在复合材料柔性曲壳的上表面，所述照射头分别与同极化晶片和反极化晶片一一对应布置；所述光源输入端与工控机的D/A采集卡连接，工控机对接收的振动信号进行主动振动控制算法计算控制处理后，转换为模拟控制量输出至UV-LED光源模块，UV-LED光源模块发出的紫外光垂直照射同极化晶片或反极化晶片的表面使其产生变形，从而产生控制作用于复合材料柔性曲壳，实现复合材料柔性曲壳振动响应的实时自适应抵消。
3.根据权利要求2所述的基于新型多片组合驱动器构型的振动非接触主动控制装置，其特征是=UV-LED光源模块发出的紫外光不同时照射同极化晶片和反极化晶片。
4.根据权利要求I至3任一权利要求所述的基于新型多片组合驱动器构型的振动非接触主动控制装置，其特征是所述新型多片组合驱动器构型既能产生正向膜控制力又能产生负向膜控制力。
5.基于新型多片组合驱动器构型的振动非接触主动控制方法，包括如下步骤 第一步，利用敲击的办法对复合材料柔性曲壳进行激振，以激励复合材料柔性曲壳进行振动，用激光测振仪测量选定测点位置的复合材料柔性曲壳的振动响应，将激励点和响应点的时域信号进行快速傅立叶变换(FFT)，计算出从新型多片组合驱动器构型到激光测振仪的测振点阵列的频率响应函数； 第二步，依据实测的频率响应函数设计一个特殊的带宽滤波器，所述带宽滤波器为二阶系统，其固有频率近似为实测的待控模态的频率值，当激光测振仪的传感信号输入到系统中后，与待控模态同频率的信号分量被放大，不同频率的部分被抑制，系统的输出信号与待控模态的模态速度信号成比例且同相位； 第三步，紫外光照射方向的切换函数选取为力) = ζ,,/^/7+々，其中Η是模态位移，6模态速度，是为mn阶模态的阻尼比，为mn阶模态的固有频率，依据切换函数的符号改变紫外光的照射方向，当^7,々)>0时，照射复合材料柔性曲壳上表面的反极化晶片；s(；7，々)< O时，照射复合材料柔性曲壳下表面的同极化晶片； 第四步，采用独立模态空间控制法和光强模糊控制律，建立新型多片组合驱动器构型入射光强与待控模态的模态位移、模态速度信号的关系，根据设定的控制算法设置工控机操作平台控制命令，依据结构振动响应信号确定入射光的光强，通过切换紫外光入射方向和光强大小，实现结构振动主动控制，所述控制算法为 当圆柱薄壳在外加激励的作用下产生振动，激光测振仪检测振动位移量η，反馈给模糊控制器进行闭环控制，这里将检测位移，同时取其微分后，分别乘以量化因子Kd和Ku后转化到基本论域[_3，3]，对应的模糊语言变量分别为^和^，语言值均为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，记为{NB，NM, NS，ZO, PS, PM，PB};利用三角形隶属度函数将论域内集合元素模糊化； 这里将模糊量化因子Kd和Ku调整律取为 当
全文摘要
本发明涉及一种基于新型多片组合驱动器构型的振动非接触主动控制装置及方法，所述装置包括工控机、无线传感装置和复合材料柔性曲壳、新型多片组合驱动器构型和UV-LED光源模块，所述复合材料柔性曲壳夹持在一个机械夹持装置上；所述方法应用激光测振仪实现物体表面振动的非接触高精度测量，通过切换UV-LED光源模块的导通开关和调整入射光强的频率成份，使其发出的紫外光交互式垂直照射柔性复合材料柔性曲壳上下表面的新型多片组合驱动器构型上。本发明的振动主动控制系统能够实现柔性结构的低频(100Hz以下)振动非接触主动控制，可以减少导线连接，减轻航空、航天结构的电磁干扰，有助于改善复杂结构的恶劣工作环境。
文档编号G05B13/04GK102929132SQ20121009640
公开日2013年2月13日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者郑世杰, 贺容波, 马学仕, 廉晶晶, 王飞 申请人:南京航空航天大学