基于加速度反馈和自抗扰的加筋壁板结构复合振动控制

    引　言

    加筋壁板结构是由加强框、长桁和铆钉等组成的复杂结构,由于其具有刚度大、节省材料等优点而被广泛地应用在飞机蒙皮结构中。然而,飞机在飞行过程中经常受到各种外界激励干扰的影响,容易引起蒙皮结构的大幅度振动。这种长时间的大幅度振动能会引起结构的疲劳裂纹,导致结构破坏甚至造成重大的安全隐患。所以对其进行振动抑制显得格外的重要。快速发展的航空航天事业对蒙皮结构的高性能要求推动了压电智能结构的发展和应用。压电智能加筋板结构是在不改变基体板结构强度特性的基础上,将压电元件粘贴在基体中组成的一种主动结构。由于压电智能结构不仅能够承受结构载荷,而且能与振动主动控制技术相结合,因此在结构的减振降噪方面具有良好的应用前景[1]。

    目前压电智能加筋壁板结构的振动主动控制大多采用结构简单且容易实现的速度负反馈和LQR等基于严格数学模型的线性控制方法[2,3]。但是由于加筋壁板结构边界条件的多样化,及动力学建模过程中不可避免地存在建模误差和不确定性外界激励干扰的影响,很难获得确切的数学模型。因此在对其进行振动抑制时,必须合理设计控制器,使系统具有较好的鲁棒性。自抗扰控制器(ADRC)是一种不依赖对象模型的控制策略。为提高制性能,自抗扰控制器通过反馈控制器对系统的广义误差进行控制,然后通过设计扩张状态观测器(ESO)实时估计对象模型摄动和外部扰动等不确定因素导致的广义干扰,并对其进行前馈补偿。自抗扰控制器由于不需要建立精确的结构数学模型,因此具有很强的鲁棒性,是一种实用的控制系统综合方法,被广泛运用到航空航天领域[4～6]。为了简化算法,方便实际应用,国内外学者尝试将ADRC简化成线性反馈结构,大量的应用实例表明,这种线性反馈结构的自抗扰控制器(LADRC)依然对非线性对象有很好的控制效果[7～9]。

    加速度传感器具有频带宽、重量轻、结构简单和易安装等诸多优点,因此研究基于加速度传感器的控制规律设计具有较大的实际价值,并被广泛地应用到机械臂和桁架等各种机械结构的振动抑制中[10,11]。加速度反馈在压电智能结构的振动控制中的应用也逐渐受到了学者的重视[12,13]。然而基于加速度传感信号和自抗扰控制器的加筋壁板结构振动控制的研究工作相对较少。

    针对四面固支加筋壁板的振动控制问题,本文提出了一种基于同位配置加速度传感器和自抗扰振动控制的复合主动振动控制策略。利用线性扩张状态观测器(LESO)技术实时估计结构的广义干扰并对其进行前馈补偿,解决了加筋壁板结构数学模型难以精确建立的问题。通过结合加速度传感信号反制,并对该方法进行了理论分析。基于dSPACE实时仿真试验系统,对ARJ21型飞机加筋壁板结构进行了几种外界激励情况的试验比较研究,结果表明了提出方法的可行性和优越性。