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随着空间技术的发展,空间结构愈加趋向大型化和柔性化,如大型挠性太阳帆板等挠性附件。空间挠性结构的模态频率低,阻尼小,在外部扰动作用或者调整姿态时极易产生持续的振动。如不施加主动控制,振动将持续很长时间。这不仅降低了系统的稳定性和控制精度,还将引起结构和设备的疲劳破坏。为了满足空间柔性结构工作时的高稳定性和高定位精度需求,结构振动主动控制变得尤为重要。
本文主要针对空间柔性结构的振动控制问题而展开研究,以柔性压电智能悬臂梁作为研究对象,利用压电片作为传感器和驱动器,对柔性梁的第一阶和前二阶弯曲模态振动进行辨识和主动控制研究,包括建模、优化配置、模糊控制算法的理论分析与实验研究。首先推导了压电悬臂梁的运动方程,并表达为标准状态空间方程形式。其次,进行了压电传感器和驱动器的位置优化配置研究,以系统总储能最小化为优化性能指标,采用遗传算法优化获得了压电片的最佳粘贴位置。然后,利用模糊控制理论设计了不同隶属度函数组合的模糊控制器,克服柔性结构系统难以精确建模和模型参数难以精确获得以及参数变换等问题;针对模糊控制器无法消除小幅值残余振动的不足,引入积分环节,设计了Fuzzy+PI双模控制器,并对基于不同边界隶属度函数和变量论域划分密度的模糊控制器设计方法进行了理论分析和比较。
基于上述理论分析和优化配置研究结果,建立了压电智能柔性悬臂梁振动主动控制实验系统,并进行了实验研究。实验结果表明,在外界瞬时脉冲激励时,采用不同的模糊控制可以有效地将大幅值振动快速衰减到较小幅值的振动,但模糊控制对低频模态的小幅值的残余振动很难抑制。当采用Fuzzy+PI双模控制器时,可以快速而有效地抑制悬臂梁的第一阶和前二阶弯曲模态振动,并可消除小幅值残余振动。实验结果验证了压电传感/驱动器优化配置的合理性,以及所设计的模糊控制器在振动控制上的可行性和有效性。