空间柔性结构动力学和自适应振动及颤振控制研究

空间铰接柔性帆板和空间柔性臂等柔性多体结构在空间环境的特点：系统模型高阶且低阶振动模态频率低，阻尼弱；在调姿、变轨和温度变化易引起振动和颤振问题。研究了柔性多体结构动力学、有限元建模、振动和颤振特性分析。研究智能结构传感器和驱动器优化配置方法，分析了系统的稳定性和自适应时延补偿算法。研究了基于模型降阶和低阶模型匹配的振动和颤振抑制的智能、自适应和非线性控制方法。采用智能结构材料PZT传感器、加速度传感器、视觉传感器，压电驱动器、伺服电机、气压驱动和SMA驱动等建立实验装置，包括铰接锁紧板和柔性机械臂等实验系统。进行振动和颤振辨识、主动控制算法的试验研究，验证了研究理论方法和技术。主要研究内容、重要结果、关键数据：(1) 研制了一种压电铰接柔性板结构，进行了传感器和驱动器优化配置，实现了弯曲和扭转模态在检测和驱动上的解耦。进行了弯曲和扭转振动的非线性控制和T-S模糊控制仿真和实验研究，实现了快速振动抑制。(2) 提出了一种基于端部CCD相机视觉检测，进行柔性板结构的弯曲和扭转模态振动检测方案和图像处理方法。并进行了有限时间快速残余振动控制实验研究。(3) 研制了一种基于滚珠丝杠驱动的压电柔性臂系统，进行了特征模型的低阶模型匹配的自适应非线性控制实验研究。(4) 研制了一种谐波齿轮传动的压电铰接梁系统和一种基于行星减速器驱动的压电双柔性梁系统，分别进行了模糊终端滑模控制和分层递推控制实验研究。(5) 提出并研制了基于有杆气缸和无杆气缸驱动的压电柔性臂系统，进行了模糊自适应控制、自组织神经网络映射控制、自适应时延补偿控制等算法的仿真和实验研究，实现了振动有效控制。(6) 研制了压电固支板结构，进行了自适应滤波前馈Filter-X LMS、自适应前馈结合反馈控制FULMS等算法仿真和实验研究。相关研究成果发表文章SCI检索12篇，录用国际刊物6篇，发表EI期刊和会议文章8篇，授权专利11件，申请发明专利11件。研究成果为相关柔性结构控制工程实现和应用提供相应的理论基础和新的技术途径。 2100433B

针对空间铰接锁紧柔性帆板和空间柔性臂等柔性多体结构，在空间环境运行的特点：系统模型高阶且低阶振动模态频率低，阻尼弱。在调姿、变轨和温度变化易引起振动和颤振问题，将影响航天器的稳定性和指向精度。本项目采用动力学建模、数值计算和有限元分析方法等对空间柔性多体结构动力学特性分析；研究为低阶控制器设计的模型降阶和低阶模型匹配方法；研究智能结构传感器和驱动器优化配置方法，尤其是异位配置时闭环系统的稳定性和自适应时延补偿算法；研究振动和颤振的自适应控制方法及策略，进行稳定性理论分析、数学仿真。拟采用智能结构材料PZT、SMA、以及加速度传感器、视觉传感器和伺服电机等建立铰接锁紧板和柔性机械臂两套柔性多体试验装置，进行振动和颤振辨识、主动控制试验研究，验证所探索的理论方法和技术。本项目采用理论和试验相结合的研究方法，旨在为柔性多体结构控制工程实现和应用提供相应的理论基础和新的技术途径。

基于空间结构振动主动控制研究背景，以航天精密装置微振动控制为理想应用目标，采用压电堆构建多自由度主动隔振平台，探索鲁棒自适应微振动控制方法与实现技术，取得创新性的科学研究成果。研究重点包括：多自由度主动隔振平台微振动集成建模与分析方法、在线系统模型辨识方法、微振动鲁棒自适应控制方法与技术等关键内容；搭建多软件联合仿真分析平台，针对空间装置微振动鲁棒自适应控制多自由度驱动、系统建模、参数辨识、控制策略等方面进行深入研究；构建基于高精度压电堆的多自由度主动隔振实验平台，使理论方法研究和实验分析验证相结合，并探求空间装置微振动控制的工程实现方法。航天精密装置微振动主动控制研究，历来是空间科学与工程领域一个重要方向和难点课题，基于多自由度压电堆驱动进行结构微振动鲁棒自适应控制方法与技术研究，对航天空间装置安全性监控和可靠性保障具有重要科学意义，相关理论方法和实现技术亟待深入探索和突破。

颤振稳定性是制约超大跨度桥梁发展的关键因素之一。本项目研究通过主动控制气动翼板的技术途径，提高超大跨度桥梁颤振稳定性的理论、方法与技术可行性。首先利用CFD数值模拟和风洞试验，寻求箱型主梁-主动翼板流固耦合系统的合理气动布局--主动翼板设置位置、特征尺寸；在非定常气动力影响因素研究的基础上，建立流固耦合系统非定常气动力非线性数学模型及参数识别方法，进而建立包含主动翼板的桥梁非线性气动弹性系统的控制律；基于现代控制理论建立桥梁非线性气动弹性系统主动控制的控制算法，研究系统的鲁棒性，并通过节段模型风洞试验进行验证；最后，将方法拓展到三维，建立基于主动翼板的超大跨度桥梁颤振主动控制分析方法，并对拟定的超大跨度悬索桥算例实现颤振主动控制的数值仿真。本项目的目的是对基于主动翼板的桥梁颤振主动控制开展原理性及先导性研究并初步形成理论体系，为今后超大跨度桥梁颤振主动控制奠定理论基础。

基于经典机翼-副翼气动力模型，建立了主动翼板-流线型箱梁的气动力模型，并基于Roger有理函数近似实现了气动力的时域化，可用于主动控制计算中。通过理论分析表明，主动翼板运动相位需要和主梁运动方向相反才能获得有效的颤振控制。当主动翼板设置为次优控制律时，控制效果及鲁棒性比最优控制律更佳，响应时间显著缩短，并能确保颤振的主动控制。 CFD数值计算表明，当前翼板扭转运动方向与主梁的扭转方向相反，后翼板扭转运动方向与主梁扭转方向相同时，颤振控制效果良好。在此情况下，随着翼板相对于主梁的扭转速度增加，主梁的最大扭转角度有减小的趋势。 较没有安装气动翼板的情况，颤振临界风速提高到1.6倍以上。同时，气动翼板的长度过小或过大，颤振主动控制效果不好。当气动翼板长度为主梁宽度的10-15%时，颤振主动控制效果较好。 基于可编程控制系统，研发了主动翼板在流线型箱梁颤振控制上的风洞试验系统。试验结果表明，在主动控制面振幅在扭转振幅权重为0.9竖向权重0.1的情况下运动时，在试验中未出现发散现象。翼板与主梁运动间的相位差是影响主动翼板控制效率的重要因素，当翼板运动相位差领先主梁扭转运动相位差约70°时，振动控制效果最佳，此时颤振临界风速可提升至1.7倍以上。 风洞试验表明，在主动翼板抑振颤振时，主梁竖弯和扭弯运动之间的相位差将出现变化。在颤振临界状态下，两者之间相位将逐渐过渡到翼板未工作的初始相位（扭转落后于竖向运动）附近一个稳定的相位上。在颤振振幅逐渐增大的情况下，主动翼板工作将使得竖向振动逐渐落后于扭转运动。 2100433B