精密柔性抛物壳智能结构系统及其主动控制研究

论文摘要

随着空间技术的飞速发展,各类航天器及其有效载荷结构的智能化、一体化要求不断提高,基于智能材料的结构电子学系统及其主动控制问题已经成为各交叉学科研究的重点。尽管近20年来国内外关于压电层合板壳智能结构控制方面的研究已经逐渐展开,但是针对具有典型空间应用背景的柔性旋转抛物壳智能结构的系统研究还处于起步阶段,还有很多关键技术亟待突破。本研究在国家自然科学基金项目“薄壁回转结构动力学建模及形状智能控制研究”和“光致伸缩耦合柔性回转结构的非接触精密控制研究”的共同支持下,以精密光学仪器和空间天线系统中薄壁曲面构件的振动控制为背景,采用理论分析、数值仿真和系统模型试验相结合的方法开展压电层合精密柔性抛物壳智能结构系统及其振动主动控制研究,为此类智能结构的具体应用提供理论依据和技术支持。本文从微分几何与弹性板壳理论出发,基于Love-Kirchhoff薄壳假设和一阶剪切变形理论分析了弹性旋转抛物壳单元的力学模型;依据多功能混合板壳理论和压电本构方程,讨论了压电-弹性层合壳体结构所涉及的力、电能场转换及耦合作用关系,得出压电层合壳体单元的合成力和力矩基本表达式;基于Hamilton原理、线性压电理论和薄壳理论基本假设推导出具有一般性的压电层合双曲率壳智能结构系统动力学方程。考虑到双曲率弹性壳的振动特性在数学上很难求解,在分析了三种常见的振动简化理论的基础上,本文对压电层合抛物壳智能结构系统动力学方程和应变表达式进行了无矩简化;同时,针对旋转抛物壳在空间天线系统中所处的自由边界条件,提出一组基于无矩简化的自由柔性抛物壳振动模态形状函数;通过弹性壳模型的理论振型仿真和实验模态测试结果的对比,研究了自由边界柔性抛物壳连续体的低阶模态振动特性。基于正压电效应、Gauss理论、开环假设和Maxwell方程,推导出具有一般性的层合壳分布传感信号方程;利用自由边界旋转抛物的模态形状函数,得出模态传感信号表达式,并确定由不同子午线、圆周方向薄膜应变构成的分布传感信号分量;结合典型的旋转抛物壳参数,仿真分析了不同传感信号分量的作用和模态敏感性,参数评价了传感器布局对传感信号幅值的影响.在压电层合壳力-电耦合模型的基础上,本文给出了无矩简化的旋转抛物壳智能结构系统控制方程,并应用模态正交性和模态展开方法将系统控制方程转换到模态域;引入Love控制算子和单位阶跃函数,推导出分布式作动器模态控制力表达式,以横向振动为主探讨了作动器子午线/圆周方向上薄膜和弯曲控制分量的作用;通过数值仿真,分析了柔性抛物壳上空间分布的压电作动器的微控行为、有效面积和规格化控制效应,进而为分布式作动器布局和构型提出了设计参考。根据压电薄膜传感/作动器的基本性能和工作特点,设计了用于微弱传感信号调理和作动器高压激励的集成电路模块,基于VC开发出多路信号采集、分析、处理与主动控制的系统软件,建立起压电层合柔性抛物壳智能结构的系统实验平台;通过对试验模型分布传感与激励的开环测试,验证了系统的有效性和可靠性,试验数据也证实了传感与激励信号理论分析中的规律性结论。通过对硬件系统的参数辨识,建立了各环节的传递函数,然后按照极点配置方法和正位置反馈方法设计系统控制器,并分别对压电层合抛物壳的低阶独立模态和耦合模态进行振动控制实验,实验结果表明控制算法增大了系统阻尼,抑制了振动幅值,实现了对结构振动的主动控制。最后,针对空间抛物壳智能结构系统受外界扰动的随机性和控制能量有限性,提出了一种自适应模态控制模式,实验证明该方法可以在随机激励条件下准确地判定最佳激励位置并有效地施加主动控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景及意义
• 1.2 智能结构主动控制研究及应用概述
• 1.3 国内外研究现状与分析
• 1.3.1 弹性抛物壳动力学分析
• 1.3.2 压电层合板壳理论
• 1.3.3 基于分布传感/作动器的板壳控制
• 1.3.4 传感/作动器的优化配置研究
• 1.3.5 智能结构振动主动控制策略
• 1.4 论文主要工作及结构
• 1.4.1 研究目标与内容
• 1.4.2 论文组织结构
• 第2章 压电层合抛物壳动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 旋转抛物壳的几何特性
• 2.2.1 曲线坐标与中曲面弧长
• 2.2.2 旋转抛物壳的几何参数
• 2.3 抛物壳内力分析
• 2.3.1 应变与应力关系
• 2.3.2 应变与位移关系
• 2.3.3 应变表达式
• 2.3.4 薄膜力与弯矩
• 2.4 压电层合抛物壳的合成力和力矩
• 2.4.1 压电材料本构关系
• 2.4.2 合成力/力矩表达式
• 2.5 基于Hamilton原理的压电层合壳动力学方程
• 2.5.1 层合壳结构的Hamilton变分
• 2.5.2 系统动力学方程
• 2.6 本章小结
• 第3章 模态分析及压电层合壳传感特性
• 3.1 引言
• 3.2 自由抛物壳的理论振型
• 3.2.1 薄壳振动简化理论
• 3.2.2 自由抛物壳的模态形状函数
• 3.2.3 理论振型仿真
• 3.3 物理模型的实验模态分析
• 3.3.1 模态试验设置
• 3.3.2 固有频率及试验振型
• 3.4 压电层合壳的分布压电传感器输出
• 3.4.1 压电传感理论
• 3.4.2 模态传感信号
• 3.5 自由抛物壳的分布传感特性
• 3.5.1 横向传感信号及其组成
• 3.5.2 数值仿真与参数分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 抛物壳智能结构的分布激励特性
• 4.1 引言
• 4.2 压电层合作动器基本理论
• 4.2.1 控制力和力矩表达式
• 4.2.2 柔性抛物壳结构系统控制方程
• 4.2.3 Love算子
• 4.3 压电作动器模态控制效应
• 4.3.1 模态特性和模态参数
• 4.3.2 模态控制力及作动器微控行为
• 4.4 参数分析与数值仿真
• 4.4.1 作动器的微控行为
• 4.4.2 作动器的有效面积
• 4.4.3 规格化控制效应
• 4.5 分布式传感/作动器单元构型
• 4.5.1 贴片式结构
• 4.5.2 成型式结构
• 4.6 本章小结
• 第5章 分布式传感与激励系统实现
• 5.1 引言
• 5.2 压电层合抛物壳实验模型
• 5.2.1 PVDF材料性能
• 5.2.2 分布传感/作动器尺寸
• 5.2.3 模型制作工艺
• 5.3 系统硬件及软件实现
• 5.3.1 分布传感信号调理模块
• 5.3.2 A/D与D/A转换
• 5.3.3 多路选通高压激励驱动模块
• 5.3.4 数据采集、处理及控制软件
• 5.4 分布传感与激励系统试验
• 5.4.1 传感信号分析
• 5.4.2 激励特性试验
• 5.5 本章小结
• 第6章 柔性抛物壳智能结构振动主动控制
• 6.1 引言
• 6.2 系统参数辨识
• 6.2.1 PVDF传感/作动器模型
• 6.2.2 柔性抛物壳模型
• 6.2.3 信号调理电路模型
• 6.3 反馈控制器设计
• 6.3.1 极点配置控制器
• 6.3.2 正位置反馈控制器
• 6.4 柔性抛物壳智能结构振动主动控制试验
• 6.4.1 独立模态控制试验
• 6.4.2 耦合模态控制试验
• 6.5 随机激励下的智能抛物壳自适应模态控制
• 6.5.1 自适应模态控制思想
• 6.5.2 自适应模态控制原理性试验
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历