專利名稱：基于新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型的振動非接觸主動控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于振動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型的振動非接觸主動控制裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著航空航天技術(shù)的飛躍式發(fā)展，人類空間活動的規(guī)模日益擴大，對空間結(jié)構(gòu)的 性能要求將越來越嚴(yán)格。目前，航空、航天結(jié)構(gòu)中的柔性部件越來越多，這些大型空間柔性結(jié)構(gòu)通常由輕質(zhì)復(fù)合材料制作，運行中一旦受到某種擾動的作用，就會產(chǎn)生大幅度長時間的振動，直接影響航空、航天結(jié)構(gòu)的精確運行和正常工作，國內(nèi)外由于柔性體振動而導(dǎo)致整個航天結(jié)構(gòu)性能下降、甚至癱瘓的例子很多。例如，美國發(fā)射的陸地衛(wèi)星II的觀測儀旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，由于受到太陽能帆板驅(qū)動系統(tǒng)的干擾而振動，大大降低了傳送圖像的質(zhì)量；哈勃望遠(yuǎn)鏡因其太陽能帆板的熱脹冷縮，引起了某些低頻結(jié)構(gòu)的振動，導(dǎo)致觀測精度降低；我國研制的中巴資源一號02星在地面測試中，動量輪的偏心質(zhì)量引起CCD相機安裝支座的振動，造成側(cè)視反射鏡響應(yīng)嚴(yán)重超標(biāo)?？梢?，從根本上減小振動影響、全面提高結(jié)構(gòu)性能，實現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)的振動控制具有非常重要的理論意義和工程實用價值。柔性結(jié)構(gòu)的振動主要集中在低頻，傳統(tǒng)的被動控制方法對低頻振動的控制效果有限，難以滿足應(yīng)用要求。隨著微處理器技術(shù)、信號處理技術(shù)、傳感器和驅(qū)動器技術(shù)的發(fā)展，集傳感、驅(qū)動和控制于一體的柔性智能結(jié)構(gòu)振動主動控制技術(shù)應(yīng)運而生，為柔性結(jié)構(gòu)低頻振動問題的解決開辟了一條嶄新的途徑。世界各主要發(fā)達國家先后啟動的智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究計劃中都將振動主動控制列為主要研究內(nèi)容之一，如美國的DARPA智能材料結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略研究計劃、NASA下一代空間望遠(yuǎn)鏡計劃、SMASH計劃等；再如，意大利航空研究中心針對飛機發(fā)動機的振動、噪聲主動控制制定了專門研究計劃，并擬于未來20年將主動減振降噪等重大技術(shù)成就應(yīng)用在商業(yè)飛機上，以實現(xiàn)更高性能的航空系統(tǒng)?？v觀現(xiàn)有的復(fù)合材料柔性曲殼I振動非接觸主動控制研究工作，還存在著一個棘手的問題即PLZT驅(qū)動器的膜控制力為單向的問題。壓電驅(qū)動器(簡稱PZT)在常規(guī)的振動主動控制中獲得了廣泛的應(yīng)用，PLZT驅(qū)動器與PZT驅(qū)動器的一個明顯區(qū)別是激勵信號光強只能是正的，不能像電壓信號那樣既可為正亦可為負(fù)，因此在非接觸振動主動控制中通常需要將PLZT驅(qū)動器粘貼在被控結(jié)構(gòu)上、下表面，當(dāng)結(jié)構(gòu)向上振時，照射上表面的驅(qū)動器，向下振時照射下表面的驅(qū)動器，這樣無疑可對被控結(jié)構(gòu)產(chǎn)生正、負(fù)控制力矩?，F(xiàn)有的理論研究都認(rèn)為PLZT驅(qū)動器產(chǎn)生的薄膜控制力的正負(fù)可以像控制力矩那樣由紫外光的照射方向來改變，但這完全是一個理論與實驗研究相脫離造成的“真實的謊言”，最新實驗研究表明，無論照射上或下表面，PLZT驅(qū)動器產(chǎn)生的膜控制力恒為正，即PLZT驅(qū)動器的光致電壓方向永遠(yuǎn)與其極化方向一致，因此PLZT驅(qū)動器在紫外光的照射下只能伸長，不能縮短，其變形方式與紫外光的照射方向及驅(qū)動器的極化方向無關(guān)！鑒于曲殼振動主動控制中薄膜控制力占有著主導(dǎo)地位，而PLZT驅(qū)動器產(chǎn)生的薄膜控制力卻是單向的。發(fā)展基于極化方向不同的多片PLZT的新型復(fù)合驅(qū)動方式，進而解決PLZT驅(qū)動器的激勵力為單向問題，未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了基于新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型的振動非接觸主動控制裝置及方法，所述裝置包括復(fù)合材料柔性曲殼、工控機、無線傳感和無線驅(qū)動模塊，所述方法能夠?qū)崿F(xiàn)柔性復(fù)合材料柔性曲殼的低頻(100Hz以下)振動非接觸主動控制，可以對減輕航空、航天結(jié)構(gòu)的電磁干擾、改善其工作環(huán)境，推動振動主動控制技術(shù)的進一步發(fā)展、完善奠定必要的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。本發(fā)明的技術(shù)方案為基于新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型的振動非接觸主動控制裝置，包括工控機、無線傳感裝置、復(fù)合材料柔性曲殼、新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型和UV-LED光源模塊，所述UV-LED光源模塊設(shè)有照射頭和光源輸入端,所述復(fù)合材料柔性曲殼夾持在一個機械夾持裝置上；所述無線傳感裝置包括激光測振儀和PXI數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)；所述新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型設(shè)置在復(fù)合材料柔性曲殼上，激光測振儀與PXI數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)通過信號線相連接，所述新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型與所述工控機通過UV-LED光源模塊連接在一起，所述PXI數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)與所述工控機通過一個接口設(shè)備連接在一起，所述 激光測振儀能夠投射激光到復(fù)合材料柔性曲殼的表面上；所述新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型由三片尺寸相同的單晶片構(gòu)成，其中兩片極化方向相同的單晶片背對背布置，用不導(dǎo)光并隔熱的膠黏劑粘接在一起，構(gòu)成一只同極化晶片，在所述同極化晶片的左右側(cè)表面上鍍有左公共電極和右公共電極，另外一片單晶片的極化方向布置與前兩片的極化方向相反，構(gòu)成一只反極化晶片。所述左公共電極與反極化晶片的左側(cè)表面電極通過導(dǎo)線連接在一起，所述右公共電極與反極化晶片的右側(cè)表面電極通過導(dǎo)線連接在一起，所述同極化晶片粘貼在所述復(fù)合材料柔性曲殼的下表面，反極化晶片粘貼在復(fù)合材料柔性曲殼的上表面，所述照射頭分別與同極化晶片和反極化晶片一一對應(yīng)布置，所述光源輸入端與工控機的D/A采集卡連接，工控機對接收的振動信號進行主動振動控制算法計算控制處理后，轉(zhuǎn)換為模擬控制量輸出至UV-LED光源模塊，UV-LED光源模塊發(fā)出的紫外光垂直照射同極化晶片或反極化晶片的表面使其產(chǎn)生變形，從而產(chǎn)生控制作用于復(fù)合材料柔性曲殼，實現(xiàn)復(fù)合材料柔性曲殼振動響應(yīng)的實時自適應(yīng)抵消。UV-LED光源模塊發(fā)出的紫外光不同時照射同極化晶片和反極化晶片。所述新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型既能產(chǎn)生正向膜控制力又能產(chǎn)生負(fù)向膜控制力?；谛滦投嗥M合驅(qū)動器構(gòu)型的振動非接觸主動控制方法，包括如下步驟第一步，利用敲擊的辦法對復(fù)合材料柔性曲殼進行激振，以激勵復(fù)合材料柔性曲殼進行振動，用激光測振儀測量選定測點位置的復(fù)合材料柔性曲殼的振動響應(yīng)，將激勵點和響應(yīng)點的時域信號進行快速傅立葉變換(FFT)，計算出從新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型到激光測振儀的測振點陣列的頻率響應(yīng)函數(shù)；第二步，依據(jù)實測的頻率響應(yīng)函數(shù)設(shè)計一個特殊的帶寬濾波器，所述帶寬濾波器為二階系統(tǒng)，其固有頻率近似為實測的待控模態(tài)的頻率值，當(dāng)激光測振儀的傳感信號輸入到系統(tǒng)中后，與待控模態(tài)同頻率的信號分量被放大，不同頻率的部分被抑制，系統(tǒng)的輸出信號與待控模態(tài)的模態(tài)速度信號成比例且同相位；
第三步，紫外光照射方向的切換函數(shù)選取為片％叻= ζ /^ 7+々,其中η是模態(tài)位移，樹莫態(tài)速度，^nm是為mn階模態(tài)的阻尼比，ω·為mn階模態(tài)的固有頻率，依據(jù)切換函數(shù)的符號改變紫外光的照射方向，當(dāng)^7，奶>0時，照射復(fù)合材料柔性曲殼上表面的反極化晶片；sin，々)< ο時，照射復(fù)合材料柔性曲殼下表面的同極化晶片；第四步，采用獨立模態(tài)空間控制法和光強模糊控制律，建立新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型入射光強與待控模態(tài)的模態(tài)位移、模態(tài)速度信號的關(guān)系，根據(jù)設(shè)定的控制算法設(shè)置工控機操作平臺控制命令，依據(jù)結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號確定入射光的光強，通過切換紫外光入射方向和光強大小，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動主動控制，所述控制算法為當(dāng)圓柱薄殼在外加激勵的作用下產(chǎn)生振 動，激光測振儀檢測振動位移量η，反饋給模糊控制器進行閉環(huán)控制。這里將檢測位移，同時取其微分后，分別乘以量化因子Kd和Ku后轉(zhuǎn)化到基本論域[-3，3]，對應(yīng)的模糊語言變量分別為$和$，語言值均為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，記為{NB，匪，NS，Ζ0，PS，PM，PB}。利用

圖10所示的三角形隸屬度函數(shù)將論域內(nèi)集合元素模糊化。這里將模糊量化因子Kd和Ku調(diào)整律取為

當(dāng)
權(quán)利要求
1.基于新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型的振動非接觸主動控制裝置，其特征是包括工控機、無線傳感裝置、復(fù)合材料柔性曲殼、新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型和υν-LED光源模塊，所述UV-LED光源模塊設(shè)有照射頭和光源輸入端，所述復(fù)合材料柔性曲殼夾持在一個機械夾持裝置上；所述無線傳感裝置包括激光測振儀和PXI數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)；所述新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型設(shè)置在復(fù)合材料柔性曲殼上，激光測振儀與PXI數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)通過信號線相連接，所述新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型與所述工控機通過UV-LED光源模塊連接在一起，所述PXI數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)與所述工控機通過一個接口設(shè)備連接在一起，所述激光測振儀能夠投射激光到復(fù)合材料柔性曲殼的表面上；所述新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型由三片尺寸相同的單晶片構(gòu)成，其中兩片極化方向相同的單晶片背對背布置，用不導(dǎo)光并隔熱的膠黏劑粘接在一起，構(gòu)成一只同極化晶片，在所述同極化晶片的左右側(cè)表面上鍍有左公共電極和右公共電極，另外一片單晶片的極化方向布置與前兩片的極化方向相反，構(gòu)成一只反極化晶片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型的振動非接觸主動控制裝置，其特征是所述左公共電極與反極化晶片的左側(cè)表面電極通過導(dǎo)線連接在一起，所述右公共電極與反極化晶片的右側(cè)表面電極通過導(dǎo)線連接在一起，所述同極化晶片粘貼在所述復(fù)合材料柔性曲殼的下表面，反極化晶片粘貼在復(fù)合材料柔性曲殼的上表面，所述照射頭分別與同極化晶片和反極化晶片一一對應(yīng)布置；所述光源輸入端與工控機的D/A采集卡連接，工控機對接收的振動信號進行主動振動控制算法計算控制處理后，轉(zhuǎn)換為模擬控制量輸出至UV-LED光源模塊，UV-LED光源模塊發(fā)出的紫外光垂直照射同極化晶片或反極化晶片的表面使其產(chǎn)生變形，從而產(chǎn)生控制作用于復(fù)合材料柔性曲殼，實現(xiàn)復(fù)合材料柔性曲殼振動響應(yīng)的實時自適應(yīng)抵消。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型的振動非接觸主動控制裝置，其特征是=UV-LED光源模塊發(fā)出的紫外光不同時照射同極化晶片和反極化晶片。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一權(quán)利要求所述的基于新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型的振動非接觸主動控制裝置，其特征是所述新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型既能產(chǎn)生正向膜控制力又能產(chǎn)生負(fù)向膜控制力。
5.基于新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型的振動非接觸主動控制方法，包括如下步驟 第一步，利用敲擊的辦法對復(fù)合材料柔性曲殼進行激振，以激勵復(fù)合材料柔性曲殼進行振動，用激光測振儀測量選定測點位置的復(fù)合材料柔性曲殼的振動響應(yīng)，將激勵點和響應(yīng)點的時域信號進行快速傅立葉變換(FFT)，計算出從新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型到激光測振儀的測振點陣列的頻率響應(yīng)函數(shù)； 第二步，依據(jù)實測的頻率響應(yīng)函數(shù)設(shè)計一個特殊的帶寬濾波器，所述帶寬濾波器為二階系統(tǒng)，其固有頻率近似為實測的待控模態(tài)的頻率值，當(dāng)激光測振儀的傳感信號輸入到系統(tǒng)中后，與待控模態(tài)同頻率的信號分量被放大，不同頻率的部分被抑制，系統(tǒng)的輸出信號與待控模態(tài)的模態(tài)速度信號成比例且同相位； 第三步，紫外光照射方向的切換函數(shù)選取為力) = ζ,,/^/7+々，其中Η是模態(tài)位移，6模態(tài)速度，是為mn階模態(tài)的阻尼比，為mn階模態(tài)的固有頻率，依據(jù)切換函數(shù)的符號改變紫外光的照射方向，當(dāng)^7,々)>0時，照射復(fù)合材料柔性曲殼上表面的反極化晶片；s(；7，々)< O時，照射復(fù)合材料柔性曲殼下表面的同極化晶片； 第四步，采用獨立模態(tài)空間控制法和光強模糊控制律，建立新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型入射光強與待控模態(tài)的模態(tài)位移、模態(tài)速度信號的關(guān)系，根據(jù)設(shè)定的控制算法設(shè)置工控機操作平臺控制命令，依據(jù)結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號確定入射光的光強，通過切換紫外光入射方向和光強大小，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動主動控制，所述控制算法為 當(dāng)圓柱薄殼在外加激勵的作用下產(chǎn)生振動，激光測振儀檢測振動位移量η，反饋給模糊控制器進行閉環(huán)控制，這里將檢測位移，同時取其微分后，分別乘以量化因子Kd和Ku后轉(zhuǎn)化到基本論域[_3，3]，對應(yīng)的模糊語言變量分別為^和^，語言值均為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，記為{NB，NM, NS，ZO, PS, PM，PB};利用三角形隸屬度函數(shù)將論域內(nèi)集合元素模糊化； 這里將模糊量化因子Kd和Ku調(diào)整律取為 當(dāng)
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型的振動非接觸主動控制裝置及方法，所述裝置包括工控機、無線傳感裝置和復(fù)合材料柔性曲殼、新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型和UV-LED光源模塊，所述復(fù)合材料柔性曲殼夾持在一個機械夾持裝置上；所述方法應(yīng)用激光測振儀實現(xiàn)物體表面振動的非接觸高精度測量，通過切換UV-LED光源模塊的導(dǎo)通開關(guān)和調(diào)整入射光強的頻率成份，使其發(fā)出的紫外光交互式垂直照射柔性復(fù)合材料柔性曲殼上下表面的新型多片組合驅(qū)動器構(gòu)型上。本發(fā)明的振動主動控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)的低頻(100Hz以下)振動非接觸主動控制，可以減少導(dǎo)線連接，減輕航空、航天結(jié)構(gòu)的電磁干擾，有助于改善復(fù)雜結(jié)構(gòu)的惡劣工作環(huán)境。
文檔編號G05B13/04GK102929132SQ20121009640
公開日2013年2月13日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者鄭世杰, 賀容波, 馬學(xué)仕, 廉晶晶, 王飛 申請人:南京航空航天大學(xué)