折叠式柔性结构振动主动控制的研究

　　1　引　言

　　随着航天技术的发展,大型柔性结构在航天飞行器上的应用越来越多[1]。这类结构本身阻尼较小,又运行于几乎无外阻的太空环境中,一旦受到航天器的机动、折叠结构的展开等因素的激励,将会产生大幅度的振动。如果不采取振动控制措施,这种振动就会持续很长的时间。这不仅会影响到柔性结构本身的工作性能,而且还通过与主体的耦合作用而影响航天器的正常工作,如带来姿态的稳定和定向精度问题。因此,对这类柔性结构的振动控制进行研究具有非常重要的意义。

　　目前已有多种控制方法在柔性结构振动主动控制中得到了成功的应用,如最优控制法[2]等。但这些控制方法都需要建立被控制结构精确的数学模型。模型的准确性以及模型参数的精度都对控制有效性和稳定性有直接的影响。对于复杂的大型航天柔性结构,如折叠式柔性结构,我们很难建立其精确的数学模型,模型参数的精确测量也非常困难。另外,控制系统中所用的滤波器、功率放大器等仪器设备的动态特性对系统的控制效果也有至关重要的影响,而基于被控系统数学模型的控制方法,很难将所用仪器设备的动态特性考虑到控制器设计中。因此,这些控制方法在实际应用中会受到很大的限制。

　　为此,本文建立了具有刚性运动基的折叠式柔性结构振动主动控制实验系统,采用实验建模和预测控制算法对折叠式柔性结构的振动主动控制进行了实验研究。

　　2　实验系统

　　实验系统由具有刚性运动基的折叠式柔性结构(如图1所示)和振动控制系统组成。

　　前者用单轴气浮台主轴作为刚性运动基,以利用空气静压轴承几乎无磨擦的特性来模拟航天器在太空中的悬浮状态。折叠式柔性结构由两块尺寸为250mm×200mm×1mm的复合材料柔性板通过铰链扭簧机构连接而成,并对称地固定于气浮台主轴的两边。为了实现刚性基的无阻尼机动,采用了反作用轮驱动方式。该反作用轮由固定在气浮台主轴上的直流电机驱动,并在气浮台主轴的下端安装了一光电编码器,用以测量主轴的角位移和角速度。后者采用了12对尺寸均为50mm×30mm×0·8mm的压电片(PZT)采用表面粘贴的方式集成于柔性板的两侧作为振动主动控制的传感器和执行器,PZT在柔性板上的布置如图1所示。控制系统的处理器采用了主从复合机方式,以提高计算速度,保证控制的实时性。主机为一台586微机,起到从机仿真与监控、数据的保存与显示的作用。从机是一片TI公司的TMS32F240 DSP,是整个控制系统的核心,起到振动预测控制、电机控制、主轴角位移测量等作用。在控制系统中还设置了滤波器,功率放大器等装置。