本发明涉及控制技术领域，特别是涉及一种半主动控制系统及方法。
背景技术：
随着航天事业的不断发展，航天器的大型化、低刚度与柔性化是目前的一个重要发展趋势。然而，由于航天器的自身运动或复杂多变的外太空环境，柔性结构的航天器比刚性结构的航天器更容易产生振动，并且由于柔性结构的航天器的阻尼比通常较低，振动一旦产生，系统振荡衰减时间较长，这样导致航天器在长时间内无法正常工作。因此，航天器的振动控制变得的越来越重要。
目前，常用的航天器的振动控制手段为被动控制和基于压电材料的主动控制，采用被动控制手段对大型柔性结构的航天器进行振动控制，需要外部输入能量，例如增加隔振器、吸振器等控制装置，不仅控制起来复杂，并且需要的时间较长，控制力较小，控制效果不佳；而基于压电材料的主动控制使用压电材料等作为系统的传感器和执行器，通过采集位移信号产生的控制电压，将控制电压通过功率放大器放大并加载到压电材料上，该控制手段采用功率放大器，导致控制设备的体积和重量大，与航天器的需求相违背。
技术实现要素：
基于此，有必要提供一种控制能力强且能够减小控制系统的重量和体积的半主动控制系统及方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种半主动控制系统，所述半主动控制系统包括传感器阵列、控制器和驱动器阵列；
所述传感器阵列固定在卫星展开臂结构的外表面，用于获取卫星展开臂结构的多模态振动信息，所述多模态振动信息包括多个方向上的单模态振动信息，所述单模态振动信息为弯曲振动信息或扭转振动信息；
所述控制器包括电荷放大器、第一信号调理模块、单片机控制模块、第二信号调理模块以及高压放大模块；
所述电荷放大器与所述传感器阵列的输出端连接，用于将任一方向上的单模态振动信息转换为电压信号；所述第一信号调理模块与所述电荷放大器的输出端连接，用于对所述电压信号进行调理，获取相位与卫星展开臂结构运动方向一致的传感电压信号；所述单片机控制模块与所述第一信号调理模块的输出端连接，用于根据所述传感电压信号产生开关切换信号和控制电压信号；所述第二信号调理模块与所述单片机控制模块的输出端连接，用于对所述开关切换信号和所述控制电压信号进行调理；所述高压放大模块与所述第二信号调理模块的输出端连接，用于将调理后的控制电压信号进行放大，产生控制高电压信号；
所述驱动器阵列固定在卫星展开臂结构的外表面，所述驱动器阵列与所述高压放大模块的输出端连接，用于根据所述调理后的开关切换信号和所述控制高电压信号产生控制力，实现对卫星展开臂结构的多模态振动控制。
可选的，所述传感器阵列由多个压电纤维复合材料传感器构成，所述压电纤维复合材料传感器由小片压电纤维复合材料制备而成。
可选的，所述压电纤维复合材料传感器固定在在卫星展开臂结构外表面的根部结构应变最大的位置；所述传感器阵列中的多个压电纤维复合材料传感器的分布方式包括径向呈90°分布和在轴向方向上正交分布，径向呈90°分布的多个压电纤维复合材料传感器用于采集多个方向上的弯曲振动信息，在轴向方向上正交分布的多个压电纤维复合材料传感器用于采集多个方向上的扭转振动信息，所述弯曲振动信息与所述扭转振动信息均为通过正压电效应产生的电荷信号。
可选的，所述驱动器阵列由多个压电纤维复合材料驱动器构成，所述压电纤维复合材料驱动器由大片压电纤维复合材料制备而成。
可选的，所述多个压电纤维复合材料驱动器固定在在卫星展开臂结构表面除根部以外结构应变最大的位置；所述驱动器阵列中的多个压电纤维复合材料驱动器的分布方式包括径向呈90°分布和在轴向方向上正交分布，径向呈90°分布的多个压电纤维复合材料驱动器用于产生多个方向上控制卫星展开臂结构的弯曲振动的控制力，在轴向方向上正交分布的多个压电纤维复合材料驱动器用于产生多个方向上的控制卫星展开臂结构的扭转振动的控制力。
可选的，所述第一信号调理模块和所述第二信号调理模块中均设置滤波电路、调相电路、偏置电路和放大电路。
可选的，所述半主动控制系统还包括数据传输线，所述数据传输线用于连接所述传感器阵列与所述控制器以及连接所述驱动器阵列与所述控制器。
一种半主动控制方法，所述半主动控制方法用于半主动控制系统，所述半主动控制系统包括传感器阵列、控制器、驱动器阵列和数据传输线,所述控制器包括电荷放大器、第一信号调理模块、单片机控制模块、第二信号调理模块以及高压放大模块；所述半主动控制方法，包括:
利用所述传感器阵列感知卫星展开臂结构的应变，获取卫星展开臂结构的的多模态振动信息，所述多模态振动信息包括多个方向上的单模态振动信息，所述单模态振动信息为弯曲振动信息或扭转振动信息；
将任一方向上的单模态振动信息经所述数据传输线传输至所述控制器，所述控制器中的所述电荷放大器将所述单模态振动信息转换为电压信号；
所述第一信号调理模块对接收到的所述电压信号进行调理，获取相位与卫星展开臂结构运动方向一致的传感电压信号；
所述单片机控制模块依据所述传感电压信号，对卫星展开臂结构位移是否处于极值进行判断，当卫星展开臂结构位移达到极值时，产生开关切换信号，并依据结构位移的大小产生控制电压信号；
所述第二信号调理模块对所述开关切换信号和所述控制电压信号进行调理，并将调理后的信号传输至所述高压放大模块；
所述高压放大模块对所述控制电压信号进行放大，产生控制高电压信号，并根据调理后的开关切换信号和所述控制高电压信号控制所述驱动器阵列中的与所述单模态振动信息的方向相对应的驱动器产生控制力；
将所述控制力施加给卫星展开臂结构，实现对卫星展开臂结构的单模态振动控制；
所述驱动器阵列将多个驱动器产生的控制力施加给卫星展开臂结构，通过对多个方向上的单模态振动控制进行控制耦合的方式，实现对卫星展开臂结构的多模态振动控制。
可选的，所述根据调理后的开关切换信号和所述控制高电压信号控制所述驱动器阵列产生控制力，具体为：根据所述调理后的开关切换信号控制所述驱动器阵列产生的控制力的方向；根据所述控制高电压信号控制所述驱动器阵列产生的控制力的大小。
可选的，所述根据所述调理后的开关切换信号控制所述驱动器阵列产生的控制力的方向，具体为：当卫星展开臂结构位移达到极值时，所述开关切换信号控制所述高压放大模块中的开关闭合，经过半个振荡周期，使得所述驱动器阵列产生的控制的方向与开关闭合前卫星展开臂结构的速度的方向相反，此时，所述开关切换信号控制所述高压放大模块中的开关断开。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种半主动控制系统及方法，所述半主动控制系统包括传感器阵列、控制器和驱动器阵列，采用传感器阵列将多模态振动信息分解为不同方向上的单模态振动信息，实现了模态之间的解耦，并采用半主动控制的方式使驱动器阵列产生的力的方向与卫星展开臂结构速度的方向始终反向，通过对多个方向上的单模态振动控制进行控制耦合的方式，实现了对卫星展开臂结构的多模态振动控制，不仅控制能力强，而且能够简化控制系统，缩短控制时间，还能减小控制系统的重量和体积，并且传感器阵列与驱动器阵列均采用压电纤维复合材料，更能满足航天结构对振动控制的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例半主动控制系统的结构图；
图2为本发明实施例半主动控制方法的流程图；
图3为本发明实施例结构位移、速度以及传感电压信号分别随时间变化的曲线图；
图4为本发明实施例基于同步开关技术的半主动控制方法的基本原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例半主动控制系统的结构图。
参见图1，实施例的半主动控制系统包括传感器阵列1、控制器2和驱动器阵列3。
所述传感器阵列1通过胶结固定在卫星展开臂结构外表面的根部结构应变最大的位置，用于感知卫星展开臂结构的应变，通过正压电效应产生电荷信号，从而获取卫星展开臂结构的多模态振动信息，所述多模态振动信息包括多个方向上的单模态振动信息，所述单模态振动信息为弯曲振动信息或扭转振动信息。
所述传感器阵列1由多个压电纤维复合材料传感器构成，所述压电纤维复合材料传感器由小片压电纤维复合材料制备而成，所述传感器阵列1中的多个压电纤维复合材料传感器的分布方式包括径向呈90°分布和在轴向方向上正交分布，径向呈90°分布的多个压电纤维复合材料传感器用于采集多个方向上的弯曲振动信息，在轴向方向上正交分布的多个压电纤维复合材料传感器用于采集多个方向上扭转振动信息，所述传感器阵列1将多模态振动信息分解为多个不同方向上的单模态振动信息，实现了模态之间的解耦，便于控制器2实现对每个通道单模态振动的控制，进而简化控制系统。
所述控制器2包括电荷放大器4、第一信号调理模块5、单片机控制模块6、第二信号调理模块7以及高压放大模块8；所述电荷放大器4通过数据传输线与所述传感器阵列1的输出端连接，用于将任一方向上的单模态振动信息转换为电压信号；所述第一信号调理模块5与所述电荷放大器4的输出端连接，用于对所述电压信号进行调理，获取相位与卫星展开臂结构运动方向一致的传感电压信号；所述单片机控制模块6与所述第一信号调理模块5的输出端连接，用于根据所述传感电压信号产生开关切换信号和控制电压信号；所述第二信号调理模块7与所述单片机控制模块6的输出端连接，用于对所述开关切换信号和所述控制电压信号进行调理，所述第一信号调理模块5与第二信号调理模块7采用完全相同的信号调理电路，所述第一信号调理模块5和所述第二信号调理模块7中均设置二阶rc低通滤波电路、调相电路、偏置电路和放大电路，对信号进行滤波、调相、偏置和放大后，使得调理后的信号的电压保持在0-3.3v的范围内；所述高压放大模块8与所述第二信号调理模块7的输出端连接，所述高压放大模块8包括高压运算放大器，所述高压运算放大器将调理后的控制电压信号进行放大，产生控制高电压信号。
所述驱动器阵列3通过胶结固定在卫星展开臂结构外表面除根部以外结构应变最大的位置，所述驱动器阵列3与所述高压放大模块8的输出端连接，用于根据所述调理后的开关切换信号和所述控制高电压信号产生控制力，所述驱动器阵列3由多个压电纤维复合材料驱动器构成，所述压电纤维复合材料驱动器由大片压电纤维复合材料制备而成，所述驱动器阵列3中的多个压电纤维复合材料驱动器的分布方式包括径向呈90°分布和在轴向方向上正交分布，径向呈90°分布的多个压电纤维复合材料驱动器用于产生多个方向上控制卫星展开臂结构的弯曲振动的控制力，实现对卫星展开臂结构的弯曲振动控制，在轴向方向上正交分布的多个压电纤维复合材料驱动器用于产生多个方向上控制卫星展开臂结构的扭转振动的控制力，实现对卫星展开臂结构的扭转振动控制，将多个方向上的弯曲振动和扭转振动的控制效果进行耦合，实现对卫星展开臂结构的多模态振动控制。
本实施例中，所述压电纤维复合材料传感器与所述压电纤维复合材料驱动器利用压电系数d33进行机电转换，d33是表征压电材料性能的最常用的重要参数之一，一般压电系数越高，压电性能越好，d33的下标中第一个数字指的是电场方向，第二个数字指的是应力或应变的方向，“33”表示极化方向与测量时的施力方向相同。
本实施例中的半主动控制系统采用直流电源供电。
本实施例中的半主动控制系统不但避免了主动控制需要庞大能量供给系统的缺点，克服了被动控制鲁棒性差的不足，而且特别适合与航天大型柔性结构振动控制的要求；通过布置在不同位置的压电纤维复合材料传感器将多模态振动信息分解为弯曲振动和扭转振动，不需要对结构进行精确的理论建模，适合低频带的振动控制；通过提高结构阻尼和刚度的方式达到振动控制的目的，减小了控制系统的质量。
图2为本发明实施例半主动控制方法的流程图。
参见图2，实施例的一种半主动控制方法用于半主动控制系统，所述半主动控制系统包括传感器阵列1、控制器2、驱动器阵列3和数据传输线,所述控制器包括电荷放大器4、第一信号调理模块5、单片机控制模块6、第二信号调理模块7以及高压放大模块8；所述半主动控制方法，包括:
步骤s1、利用所述传感器阵列感知卫星展开臂结构的应变，获取卫星展开臂结构的的多模态振动信息，所述多模态振动信息包括多个方向上的单模态振动信息，所述单模态振动信息为弯曲振动信息或扭转振动信息；
步骤s2、将任一方向上的单模态振动信息经所述数据传输线传输至所述控制器，所述控制器中的所述电荷放大器将所述单模态振动信息转换为电压信号；
步骤s3、所述第一信号调理模块对接收到的所述电压信号进行调理，获取相位与卫星展开臂结构运动(结构位移)方向一致的传感电压信号，图3为结构位移、速度以及传感电压信号分别随时间变化的曲线图，a表示结构位移随时间变化的曲线，b表示速度随时间变化的曲线，c表示传感电压信号随时间变化的曲线，由图3可知，结构位移与传感电压信号始终呈正比例关系；
步骤s4、所述单片机控制模块依据所述传感电压信号，对卫星展开臂结构位移是否处于极值进行判断，当卫星展开臂结构位移达到极值时，产生开关切换信号，并依据结构位移的大小产生控制电压信号；
步骤s5、所述第二信号调理模块对所述开关切换信号和所述控制电压信号进行调理，并将调理后的信号传输至所述高压放大模块；
步骤s6、所述高压放大模块对所述控制电压信号进行放大，产生控制高电压信号，并根据调理后的开关切换信号和所述控制高电压信号控制所述驱动器阵列中的与所述单模态振动信息的方向相对应的驱动器产生控制力，单个传感器获取的振动信息为单模态振动信息，传感器阵列中不同位置的传感器获取不同方向上的单模态振动信息，驱动器阵列中的不同位置的驱动器分别产生与单模态振动信息的方向相对应的控制力；
所述根据调理后的开关切换信号和所述控制高电压信号控制所述驱动器阵列产生控制力，具体为：根据所述调理后的开关切换信号控制所述驱动器阵列产生的控制力的方向，根据所述控制高电压信号控制所述驱动器阵列产生的控制力的大小；
所述根据所述调理后的开关切换信号控制所述驱动器阵列产生的控制力的方向，具体为：当卫星展开臂结构位移达到极值时，所述开关切换信号控制所述高压放大模块中的开关闭合，经过半个振荡周期，使得所述驱动器阵列产生的控制的方向与开关闭合前卫星展开臂结构的速度的方向相反，此时，所述开关切换信号控制所述高压放大模块中的开关断开；
步骤s7、将所述驱动器阵列中与单模态振动信息的方向相对应的驱动器产生的控制力施加给卫星展开臂结构，实现对卫星展开臂结构的单模态振动控制；
步骤s8、所述驱动器阵列将多个驱动器产生的控制力施加给卫星展开臂结构，通过对多个方向上的单模态振动控制进行控制耦合的方式，实现对卫星展开臂结构的多模态振动控制。
卫星展开臂结构位于卫星结构的端部，本实施例中，采用悬吊装置将展开臂结构悬挂，对展开臂结构的多阶模态振动进行控制。以单一方向弯曲振动为例，当卫星展开臂结构在某阶共振频率附近发生振动时，其机电模型可以用单自由度的弹簧质量阻尼系统进行描述，假设包括压电元件在内的所有结构均为线弹性，由牛顿定律得如下微分方程：
其中，m为结构等效模态质量，cs为机械损失因子，ke为当压电元件短路时结构的等效结构刚度，u为模态质量位移，
如果被控结构上埋入或粘贴压电元件时，其机电耦合方程为：
其中，c为压电元件的受夹电容，α为力因子，i为流经压电元件的电流，v表示电压，
由(1)式两边同乘速度
输入的总能量
本实施例中的半主动控制方法是基于同步开关技术的半主动控制方法，其基本原理如图4所示，在卫星展开臂结构上粘贴压电元件(压电材料)，在压电元件的两极串联开关sw和电感l等电子元件，通过设计合适的开关控制算法，当压电元件的感应电压达到极值时闭合开关，压电元件与旁路电感构成高频振荡回路，经过半个振荡周期(ts)，使得压电片的电压v与开关闭合前反向，这时断开开关，参见图4，vm为闭合前压电片的电压，-γvm为闭合后压电片的电压，γ表示翻转效率，这样不仅使压电元件产生的力与结构速度始终保持方向相反，而且增大了压电元件上电压的幅值，从而提高了机电转换效率，提高了系统的机电转化能，起到了振动控制的效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。