基于输出预估自抗扰策略的加筋壁板结构多模态振动主动控制

    引　言

    加筋壁板是典型的飞机蒙皮结构,主要由加强框、长桁和铆钉等组成。由于飞机在飞行的过程中不可避免地要受到各种外界干扰的影响,容易引起蒙皮壁板结构的大幅值振动。壁板结构的长期大幅值振动可能引起疲劳裂纹,结构破坏甚至有造成重大事故的隐忧。所以对加筋壁板结构进行振动控制研究就显得格外重要。

    压电材料结构由于同时具有传感和驱动功能,是行之有效的振动控制的典型结构之一[1]。基于压电材料的加筋壁板结构的振动控制研究已有大量的文献,如基于负电容的半主动控制方法和采用速度负反馈以及LQR等基于严格数学模型的线性控制策略[2～4]。针对单模态的外界激励,负电容半主动策略只需要较低的控制电压就能获取较好的控制性能。但是,实际环境中的蒙皮形式的加筋壁板结构大多是具有多重干扰激励影响的结构,则给这种半主动控制方法的实际应用带来了很大挑战。尽管,线性控制器具有结构简单等优点,并对某些激励具有较好的振动抑制性能。然而,实际结构的数学模型一般都是难以精确建立,且动力学建模过程中不可避免的存在偏差,则振动抑制的性能非常有限。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。微控制器技术的快速发展为先进的控制算法在振动主动控制中的实现提供了平台。自抗扰控制器(ADRC)是中国学者韩京清教授首创的一种非线性控制器,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干扰等不确定因素,并实时对其进行前馈补偿[5,6]。ADRC由于不需要建立结构的精确数学模型,且具有很强的鲁棒性,是一种非常实用的先进控制方法,得到了国内外学者的极力推崇,并在如航空航天领域,机械系统和运动控制等中得到了广泛的验证[7～9]。为了更有利于实际运用,国内外学者尝试将ADRC简化成线性反馈的形式,大量的应用实例显示,这种线性反馈结构的自抗扰控制器(LADRC)对非线性对象同样具有很好的控制性能[10,11]。

    为了克服四面固支加筋板结构难以建立精确数学模型,以及多模态控制时的复杂性等问题,利用加速度传感器的轻质量、频带宽、易安装等优点,设计以单个加速度计作为传感器,2个压电片为执行器的二阶模态振动控制方式。由于传感器采用的是异位配置的方式,则加速度传感器和压电片驱动器之间由于相位偏差,而不可避免地存在时延。这种相角偏差和时延会从某种程度上影响到整个结构振动的控制性能。为了解决这个问题,首先,根据Lissajou图形估算出压电片驱动器和加速度传感器之间的相位差,分别计算出加筋板结构传感器和驱动器异位配置时第一和第二阶模态的时延;然后,借鉴Smith预估器的设计原理,设计输出预估器超前补偿异位配置引起的时延,解决了异位配置引起的系统不稳定问题。并结合自抗扰控制算法,无须建立结构的精确数学模型的情况下,解决了加筋壁板结构的多模态振动控制的问题。基于dSPACE实时仿真实验系统,对ARJ21型飞机靠近尾部的加筋壁板结构进行了对比试验研究。