基于自适应逆控制的空间桁架结构振动主动控制概要.docx
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基于自适应逆控制的空间桁架结构振动主动控制概要
基于自适应逆控制的空间桁架结构振动主动控制
基于自适应逆控制的空间桁架结构振动主动控制
刘绍奎,闫桂荣
(1.中国空间技术研究院,北京北京100094;
2.西安交通大学航天航空学院,陕西西安710049
摘要:
空间桁架结构在航天工程中被广泛采用,如运载火箭仪器舱、人造卫星天线、星箭接口支架、空间站骨架结构、有效载荷的支撑平台等。
由于特殊的工作环境,在轨运行的空间桁架结构必须满足特定的稳定性和振动的要求,决定了对其进行有效振动控制的必要性。
这类结构具有柔性大,固有频率低,模态密集,模态耦合,阻尼小,质量轻等特性,传统的控制方法已经不能满足系统的强鲁棒性、高精度和高可靠性要求。
因此,需要发展振动主动控制方法,其中采用智能元件或功能材料进行主动控制来抑制空间桁架结构的振动是最重要的一个研究内容,并成为近年来十分活跃的研究领域。
在国外,尤其是美国和欧洲,在航天领域的智能结构技术研究已经开始步入实用阶段,特别是在航空航天结构振动主动控制以及健康诊断监测方面的应用较为广泛。
目前我国用于航天工程的智能结构振动控制技术和现阶段快速发展的航天事业很不相称,和航天器研制的需求也脱节。
为了提高我国新型航天器的竞争力,十分有必要对航天器智能结构振动控制技术进行实用性研究。
基于以上考虑,论文以航天工程为研究背景,设计了空间智能桁架结构,提出一种基于ε-滤波RLS算法的自适应逆控制结构,分析了结构的收敛性,并将基于ε-滤波RLS(RecursiveLeastSquares算法的自适应逆控制结构引入空间桁架结构的振动主动控制中,完成了结构振动的主动控制实验研究。
空间智能桁架结构的振动主动控制实验结果表明,基于ε-滤波RLS算法的自适应逆控制方法在空间桁架结构的振动主动控制中是一种十分有效的方法。
本研究为即将开展的航天器智能结构设计与控制奠定了良好基础。
关键词:
空间桁架;振动主动控制;自适应逆控制12
ActiveVibrationControlfortheSpaceTrussStructure
BasedonAdaptiveInverseControl
LIUShao-kui1,YANGui-rong2
(1.ChinaAcademyofSpaceTechnology,Beijing100094,China;
2.AstronauticsandAeronauticsCollege,XianJiaotongUniversity,Xian710049,China
Abstract:
Thespacetrussstructureshavebeenusedinspaceflightengineeringwidely,exampleforlaunchvehicleinstrumentcabin,satelliteantenna,interfacebracketofrocketandspacecraft,frameworkofspacestation,supportplatformofpayloadandsoon.Thespacetrussstructureson-orbitmustmeettherequirementsofstabilityandvibrationbecauseofitsespecialworkingenvironmentandthisfactdeterminetheneedofthevibrationcontroleffectiveforspacetruss.Thespacetrussstructurehasthecharacteristicofbigflexible,low-frequencies,closelymodals,modalscoupling,andweaklydampandlightweightthatcausesthetraditionalcontrolmethodscannotmeettherequirementoftherobust,precisionandreliabilityofthesystem.Soitisveryimportanttodevelopactivevibrationcontrol.Theactivevibrationcontroladoptedthesmartcomponentorfunctionmaterialwasthemainlystudyscopethattorestrainthevibrationofthespacetrussstructuresandithasbeenbecometheflourishresearchdomainrecently.Onoverseas,especiallyinAmericanandEurope,thespacecraftsmartstructurehasbeenusedinthepracticalityphase,especiallyusedinthespacestructuresactivevibrationcontrolandstructureshealthmonitorwidely.Butnow,thespacecraftsmartstructuresstudyisnotadapttotherapiddevelopingspaceflightprojectofourcountry.Forheightenthecapabilityofdevelopingspacecraft,itisveryimportanttoinvestigatetheactivevibrationcontrolofthespacecraftsmartstructureinthepracticality.
Inthebackgroundofspacecraftengineering,thisarticledesignedthespacesmarttrussstructure,putforwardtheRLSalgorithmforadaptiveinversecontrolbasedonε-filterandanalyzedtheastringencyofthecontrolscheme.TheexperimentofspacetrussstructureactivevibrationcontrolhasbeenachievedbyusingtheRLSalgorithmforadaptiveinversecontrolbasedonε-filter.TheresultdemonstratedthatthemethodisaneffectivetechniquebyusingtheRLSalgorithmforadaptiveinversecontrolbasedonε-filter.Thisworkwillprovidetheavailabilitytechniquetothespacecraftsmartstructuredesignandcontrolthatwillbeperformedshortly.作者简介:
刘绍奎(1974-,男,重庆人,博士,从事航天器结构动力学分析、结构振动主动控制、智能结
构研究工作.E-mail:
liushui.xjtu@.
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2007第九届全国震动理论及应用学术会议论文集2007.10.17-19
Keywords:
spacetrussstructure;activevibrationcontrol;adaptiveinversecontrol
引言
在航天工程中,传统结构技术很难有效地解决诸如大型柔性空间结构的振动、冲击和噪声控制,天线反射器结构的形状控制,空间桁架结构的精确定位,结构部件的损伤监测和修复等问题,传统的控制方法已经不能满足系统的强鲁棒性、高精度和高可靠性要求。
智能结构的出现,使解决这些问题成为可能。
开展航天器智能结构技术研究,能够极大提高航天器的性能,改善航天器的力学环境,延长在轨寿命,在未来空间攻防中具有重要的战略意义。
在国外,尤其是美国和欧洲,在航天领域的智能结构技术研究已经开始步入实用阶段。
特别是在航空航天结构振动主动控制以及健康诊断监测方面的应用较为广泛。
例如,以卫星天线、太阳翼等为代表的大型柔性空间结构的振动主动控制和形状控制;固定翼飞机和直升机机翼振幅控制;美国空军F-18战机、X-33航天器为代表的光纤阵列健康监测等。
空间桁架结构在航天工程中被广泛采用,如运载火箭仪器舱、人造卫星天线塔、船箭接口支架、一箭多星支架、空间站骨架结构、有效载荷的支撑平台等。
这类结构具有挠性大,固有颇率低,模态密集,模态耦合,阻尼小,质量轻等特性,不可避免地发生结构振动。
同时由于特殊的工作环境,在轨运行的空间桁架结构必须满足其特定的稳定性和振动的要求,决定了对其进行有效振动控制的必要性。
进行有效的振动控制是保证航天器正常工作的重要条件,目前较成熟的技术手段是采用特殊材料和结构(如复合材料、蜂窝结构等并进行各种阻尼处理。
但这种基于被动阻尼控制的方法不能很好满足实际工程的需要。
因此,需要发展振动主动控制方法,其中采用智能元件或功能材料进行主动控制来抑制空间桁架结构的振动是最重要的一个研究内容,并成为近年来十分活跃的研究领域[1-5]。
在结构中集成智能元件或功能材料的桁架结构被称为智能桁架结构系统。
用于桁架结构振动控制的智能元件目前主要是压电类作动器。
这种作动器产生小的位移,大的作动力,可实现结构的精密振动控制。
美国JPL实验室在80年代末就利用压电作动器组装空间桁架并且进行振动控制实验。
日本宇航院也做了类似研究,设计了一种压电作动器用于二维桁架结构的形状控制。
目前我国用于航天工程的智能结构技术和现阶段快速发展的航天事业很不相称,和航天器研制的需求也脱节。
因此,为了提高我国新型航天器的竞争力,十分有必要对航天器智能结构技术进行实用性研究。
基于以上考虑,论文以航天工程为研究背景,设计了空间智能桁架结构,提出了基于ε-滤波RLS算法的自适应逆控制结构。
在此基础上设计了空间桁架结构振动主动控制实验系统,完成了结构振动的主动控制实验研究,并取得了理想的结果。
1ε-滤波RLS算法自适应逆控制结构
在控制问题中,空间桁架结构是带分布参数的强耦合、非线性、多输入、多输出系统。
首先,传统的PID控制和现行化方法将难以适用,应考虑其他高级控制策略。
1986年,由美国斯坦福大学著名教授BernardWidrow提出了自适应逆控制理论,成为控制系统和调节器设计的一种新颖途径,其最成功的应用是美国能源部设在斯坦福大学的直线加速器中心的电子束控制中的自适应噪声消除系统。
自适应逆控制是一种非线性的控制方法,其实质是动态校正系统的逆模型,对传统的自适应控制中设定为不变的反映自适应程度的自适应系数根据系统的运行情况进行动态调整。
系统的初始逆模型可以离线辨识,一方面摒弃了纯粹的自适应控制律基于系统稳定要求所采用的繁琐的设计思路,另一方面,仍保留了自适应方法
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基于自适应逆控制的空间桁架结构振动主动控制
参数在线调节能力和系统的自学习能力。
这些特点使得自适应逆控制理论在空间桁架结构的振动主动控制中的应用成为可能。
应用自适应逆控制理论,对象的自适应逆控制结构见图1。
其工作流程为:
信号输入对象并用人工神经网络辨识对象模型,接着对象模型被复制用来计算对象的逆模型。
逆模型的一个复制就是控制器。
控制系统指令输入复制的控制器,控制器的输出去驱动对象。
当逆滤波器收敛后,对象的输出将跟随延迟了△时间单位的指令输入。
在图按照图1的系统获得C(z的算法称为ε-滤波RLS(RecursiveLeastSquares算法。
1中画出了一个理想控制器,实际上它是不存在的,只是为了分析方便。
如果它是一个真正的控制器而不是C(z的复制,那么总系统误差ek(sysC(z尽可能地接近于理想的C(z。
C(z和复制的C(z都受同一指令输入驱动,它们的输出之差是一个误差信号,称为ε′。
如果用ε′来对C(z做自适应,那么结果就一定是很快并直接朝向C(z自适应的C(z。
但是,这个误差是得不到的。
(sys参照图1,总系统误差ek经滤波而得到一个过滤误差,利用这个过滤误差代替ε′用ˆ(z延时的逆。
如果这个逆是理想的,并且对象也没有扰动,那么这来自适应。
滤波器是Pˆ−1(z来过滤总系统个过滤误差对于自适应来说就会真正等效于ε′。
因为用一个延时的逆PΔ(sys误差ek,所以C(z的输入也必须要作相应的延时,以便C(z的输入和误差保持同步。
随着C(z用RLS自适应,它的权系数被复制到控制器中,C(z的输出不接任何地方,控制
系统仅仅是用它的权系数。
的均方值就一定是最小。
目标就是要让
ˆ(z,需要用一个建模延时。
只要C(z的输入受到相同的延时,的逆。
为获得延时的逆PΔ−1ˆ(z是用人工神经网络方法得到的。
利用复制的Pˆ(z,采用离线过程求得它对象模型P
就不会因为延时△而在性能上受到损失。
和C(z的权系数都基本上处于静态。
对于一个Wiener滤波器来说,误差和输入信号之间的ˆ(z,ˆ(z求其Wiener解。
假设自适应过程已经收敛,PP设C(z脉冲响应是无约束的,Δ−1
(sys′的乘积的。
为了自适应C(z,重复使用RLS算法就使得ek′的乘积变得和Xk入向量Xk
越来越小,最终这个乘积的期望值趋于零,即
(sys′ek′E[xk+m]=E[xk(dk+m−yk+m−nk+m+δk+m∗P]
′(dk+m−yk+m]=E[xk互相关函数是零,同时当自适应C(z时,RLS算法所用的瞬时梯度是正比于误差ek(sys和输
′dk+m−∑c′]ˆlxk−1+mxk=E[xk
l=−∞∞(1
ˆlΦx′d(m−l=Φx′d(m−∑c
这就是滤波器C(z的Wiener-Hopf方程,是一个卷积形式,进行z变换得
ˆ(zΦ′(zΦx′d(z=Cxx
由此可得l=−∞∞(2ˆ(z=Φx′d(zCΦx′x(z(3
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2007第九届全国震动理论及应用学术会议论文集2007.10.17-19
图1ε-滤波RLS算法
Fig.1Thefiltered-εRLSalgorithm
为了求得C(z,就必须得到Φx′d(z和Φx′x(z,参照图1可得
ˆ(zPˆ(z−1M(zΦx′d(z=Φii(zP(zP
ˆ(z−1M(z=Φ(zPii
(4
因此得到C(z的Wiener解为ˆ(zPˆ(z−1P(zΦx′x(z=Φii(zP(zPˆ(z−1P(z=Φ(zPii(5
ˆ(z=Φx′d(z=M(zCΦx′x(zP(z
−1−1(6ˆ(z和Pˆ(z的误差只是影响自适应算法的稳定性和收敛,一旦收敛后将不会影到影响,PΔ
响Wiener解。
ˆ(z的选取而受ˆ(z和P由(6式可以看出,ε-滤波RLS算法得到的Wiener解不受PΔ
2自适应逆控制实验研究
为了验证自适应逆控制方法和智能元件对结构振动主动控制的有效性,以空间桁架结构作为实验对象进行振动主动控制实验研究。
空间桁架结构实验装置由12个正六面体单元组成。
整个结构由球形接点和空心杆构成,一共52个节点,161根空心杆。
球形接点和空心杆的材料均为不锈钢。
由于结构轻柔,因此整个系统是一个柔性且带有一定间隙的复杂结构。
空间桁架结构实验系统的布置和搭建见图2。
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基于自适应逆控制的空间桁架结构振动主动控制
图2空间桁架结构控制实验装置
Fig.2Experimentalconfigurationofthespacetrussstructure
为了消除结构自身静变形的影响,在悬挂节点上用弹簧秤代替绳索悬挂,并在弹簧秤上加一可调长度的螺纹连接钩,通过调节螺纹连接的长度,调节弹簧秤读数,当各弹簧秤读数基本相等时,可以将结构的静变形影响控制在最小。
沿着底部单元的一个杆上安装激振器,作为结构的激励源。
在水平单元中的某一个杆上安装压电作动器智能元件,作为结构的控制激励元件。
安装的位置通过最小交叉熵方法优化确定,具体实施方法参见文献,这里不作说明。
实验中涉及的主要仪器与设备:
AWG2005型任意波形发生器;B&K2626型电荷放大器;HP54622D型示波器;HP35670A型动态分析仪;GF-20型功率放大器;YE5871型功率放大器。
实验基本原理框图如图3
所示。
[7]
图3振动主动控制实验原理图
Fig.3Blockdiagramoftheactivevibrationcontrol
整个系统由三部分组成:
激振部分、柔性桁架结构和测控部分。
各部分的组成如图3中的标示。
激振部分作为系统的振源,使桁架结构产生振动。
测控部分进行信号采集与控制信号的产生,完成系统振动的抑制,由传感、控制与作动三大部分组成。
传感部分主要用于
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2007第九届全国震动理论及应用学术会议论文集2007.10.17-19检测桁架结构的振动响应,包括传感器、电荷放大器;作动部分主要用于产生振动控制力,包括作动器、功率放大器;控制部分包括计算机、A/D、D/A、控制器等。
计算机需要进行的操作是系统模型的辨识、逆模型的建立、控制器的形成。
A/D和D/A的作用是完成信号的模数和数模转换。
实验系统工作流程为:
由信号发生器产生信号,送入激振器,激励结构产生振动。
由传感器采集结构的振动信号,经过A/D变换,送入计算机,同时计算机也接收来自信号发生器的信号。
由计算机完成对象模型辨识、对象逆模型建立以及逆控制器的形成。
逆控制器调节来自另一信号发生器的信号,生成控制信号,经D/A送到作动器,作动器产生控制力,抑制结构的振动,从而完成结构的振动控制任务。
空间桁架结构的辨识模型结果如图4,逆模型结果如图5。
图4空间桁架结构辨识模型Fig.4Identificationmodelofthespacetrussstructure图5空间桁架结构逆模型Fig.5Inversemodelofthespacetrussstructure控制结果见图6。
由图中可以看出,振动抑制率达到了70%以上,效果理想。
实验中控制系统运行稳定,不产生溢出。
图6振动控制效果Fig.6Resultsoftheactivevibrationcontrol3结论自适应逆控制原理的特点,使其作为空间桁架结构振动主动控制策略成为可能。
空间智能桁架结构的振动主动控制实验结果表明,基于ε-滤波RLS算法的自适应逆控制方法在空7-225
基于自适应逆控制的空间桁架结构振动主动控制间桁架结构的振动主动控制中是一种十分有效的方法。
本研究为今后将要开展的航天器智能结构设计与控制奠定了良好基础。
参考文献:
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西安交通大学,20007-226
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