结构振动复合控制信号的重构及实验研究

　　1　引　言

　　随着机敏材料和智能结构的产生和发展,机敏材料和智能结构已经在结构的振动、噪声、疲劳、损伤、断裂、破坏抑制和监测方面得到了应用[1][2],特别是在航空航天结构振动主动控制以及健康监测方面应用较为广泛。例如,太空卫星天线、太阳能帆板为代表的大型柔性空间结构的振动主动控制;美国空军F-18战斗机、X-33航天飞行器为代表的光纤阵列健康监测。结构之所以称为智能结构,主要是它具有自主辨识和智能控制等功能,而控制器是智能结构的核心和“大脑”[3]。振动工程中智能结构的控制方法对振动控制的精度和稳定性等指标影响很大。针对时域控制方法[4]而言,尽管其控制修正速率高、适应能力强,但各控制环节的时滞决定了该方法控制精度不高,而且提取与外扰相关性较强而不含有控制信号的参考信号,也十分困难。另外,模型的简化包括降维、线性化处理,容易造成观测溢出和控制溢出;对于频域控制方法[4]而言,控制精度较高,容易实现,但其控制修正速率慢,适应能力差,只适于慢变振动的控制。本文依据智能结构的基本思想,讨论结构振动主动控制复合信号的重构,目的是吸取频、时域控制的优点,建立一种新的控制方法,克服单一频域控制和时域控制方法的不足。

　　2　重构原理

　　结构的振动是由激励载荷作用于结构造成的。激励可以是扰动、冲击、或持续性载荷,一般是含有多种频率成分的复合信号。因此,结构的振动响应信号比较复杂,主要包括激励信号成分,结构的固有频率{ωn}带宽成分,结构非线性造成的固有频率的倍频与差频成分[5],工频及其它干扰成分。实验结果表明,结构响应信号中,谱值较大的一般是结构固有频率{ωn}带宽成分对应点。如果忽略结构的非线性和其它干扰成分,结构振动响应信号为:

式中ωi——结构的第i阶固有频率带宽成分

　　Ai,——ωi对应的正弦幅值和相位

　　控制的目的就是对所有ωi对应的振动波形进行抑制。因此,振动复合控制信号的重构就是对结构振动响应信号进行分析和特征提取,得到n阶对结构振动贡献较大的频率成分(ωi,Ai,),利用这些信息重新构造复合控制信号,即:

　　将复合控制信号输入到放大器,驱动作动器,抑制结构的振动。

　　2.1　结构振动控制参考信号幅值的提取

　　未施加控制时,结构的响应信号容易辨识,控制参考信号幅值信息容易提取,施加控制后,由于控制信号含有结构响应的频率,控制参考信号的幅值很难提取。当振源激励强度变化时,无法进行自适应控制。因此,一般情况下,控制参考信号幅值信息的提取十分重要。对于每一种频率成分{ωi},辨识出振动残差信号向量Ei与施加的控制信号向量Ui,以及两向量的相位差γi,根据结构响应向量Bi、Ei、Ui的几何关系: