专利名称：基于角速率陀螺的模拟太空帆板扭转振动控制装置与方法
技术领域：
本发明涉及大型柔性结构振动控制，特别是涉及一种太空帆板结构的扭转振动主动控 制装置和方法，具体地说是提供一种针对模拟挠性太空帆板悬臂挠性板结构，应用基于角 速率陀螺传感器和压电驱动器优化配置实现扭转模态振动主动控制装置和方法。
背景技术：
大型化、低刚度与柔性化是航天器结构的一个重要发展趋势。随着航天技术的飞速发 展，对空间结构系统的性能提出了新的要求，太空帆板的尺寸越来越大，比如RAE卫星装 有四根长达228.8m的大型天线，美国制定的开发大气层外太阳能的太空能源计划中，则要 求安装长达十多公里的太阳能帆板这种巨大而单薄的结构。大型空间柔性结构明显的特征 是尺寸大、重量轻、柔性大、模态阻尼小、振动固有频率低且分布密集，因此受到扰动后 振动问题不可避免，因此需要对振动进行在线监测和主动控制。挠性结构的振动控制问题 由来己久，却仍然具有巨大的挑战性，尤其是需要高精度地控制其姿态和指向。特别在太 空条件下，挠性结构更加难以控制，因此，大型柔性结构振动的主动控制就成为当今世界 普遍关注而富有挑战性的重要课题，研究大型空间结构的振动特性，并对其进行振动控制 是空间结构设计任务中的一个重要课题和难点。美国国家研究理事会在《新世纪的太空技 术》报告中，就将"在失重条件下能使各种天线和望远镜保持稳定"列为影响太空探索的六 大关键技术之一。为了确保航天飞行系统能够长期稳定的工作，必须对航天飞行器的大型 挠性附件的振动进行有效地控制。为了能适应不断发展的空间结构的要求，人们寄希望于 新颖的主动振动控制(AVC)技术，智能结构思想的出现，为解决大型航天挠性结构的振动控 制问题提供了新的思路。采用智能材料作为敏感器和致动器组成智能结构技术对空间挠性 结构进行主动振动控制，实现挠性结构的快速振动抑制，提高航天器姿态稳定性和指向精 度。技术的高难度与重要的应用价值吸引了各相关领域的众多研究人员，但是现有技术中， 研究主要集中在智能材料及其振动控制的简单模型研究和试验研究，对基于压电智能结构 的一维梁的优化配置和主动振动控制算法研究的很多，控制的是梁弯曲振动模态。但对于 大型挠性悬臂板结构的振动控制，理论分析和工程实际应用还远远没有成熟，还有诸多问 题需要解决。针对大型挠性太空帆板结构的振动主动控制方面，现有技术尤其存在以下问 题没有很好地解决太空帆板基本上为悬臂外伸板结构，扰动激励的振动包括弯曲和扭转模态的振动，现有技术针对弯曲模态和扭转模态的检测和控制，主要有采用压电片和优化 配置实现弯曲和扭转模态在检测和驱动上解耦，进行振动主动控制。用多压电片组成扭转 模态驱动器对粘贴的精度要高，并且要求每片压电陶瓷片的参数一致，这样对压电片和粘 贴提出了精度和一致性的要求，安装和应用不方便。因此，本发明采用角速率陀螺传感器 进行扭转振动模态的检测，安装和应用方便，较好地实现扭转模态的检测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、控制稳定的基于单轴角 速率陀螺传感器的智能柔性太空帆板结构弯曲和扭转模态振动主动控制装置。 本发明的另一目的在于提供利用上述装置的弯曲和扭转振动的控制方法。 为了达到上述目的，本发明采用如下的方法和技术方案-
一种基于角速率陀螺的模拟太空帆板扭转振动控制装置，该装置的挠性板通过机械支
架夹持装置固定为悬臂板，挠性板通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，在挠性板固定端
横向20 25mm处前后两面对称粘贴的多片压电陶瓷片，多片压电陶瓷片之间在挠性板的
纵向距离为20 160mm，姿态角度为0°，多片压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起组
成弯曲模态压电驱动器；弯曲模态传感器为一片压电陶瓷片，在挠性板的横向靠近固定端
20 25mm处，位于挠性板的纵向中线，姿态角度为0°;在挠性板靠近自由端一段距离的
纵向中部双面反对称粘贴多片压电陶瓷片，压电陶瓷片双面极性相同并联连接在一起组成
扭转模态驱动器，扭转模态驱动器的压电陶瓷片之间在横向距离为35 100mm，扭转模态
驱动器的压电陶瓷片姿态角度为45。；角速率陀螺传感器安装在挠性板的自由端，角速率陀
螺传感器的检测轴线和挠性板扭转振动模态的节线平行；弯曲模态传感器与极低频电荷放
大器信号连接，极低频电荷放大器和角速率陀螺传感器分别通过多通道A/D转换数据采集
卡与计算机信号连接；弯曲模态压电驱动器和扭转模态驱动器分别与多路压电陶瓷电源连
接；多路压电陶瓷电源通过多通道D/A转换卡与计算机信号连接。
所述的反对称粘贴是指正面的压电陶瓷片姿态角度为45°，反面压电陶瓷片的姿态角与
正面垂直，都位于挠性板的靠近自由端的纵向中间位置。
所述的扭转模态驱动器都位于挠性板的靠近自由端一段距离的纵向中间位置。
所述角速率陀螺传感器为单轴石英MEMS陀螺，安装在挠性板的自由端纵向中间位置。
应用上述的实验装置进行基于角速率陀螺传感器的挠性悬臂板扭转振动控制的方法，
其特征在于包括如下步骤
(1)开启计算机，进行参数初始化；包括控制算法参数的初始值设定，A/D数据采集和D/A输出控制卡相应的初始数据、控制地址和驱动方式的设定，D/A输出数据设定为0，保 证初始状态扭转模态压电驱动器无激励电压信号；
(2) 开启角速率陀螺传感器供电电源，压电陶瓷电源；采用激振力锤激振辨识法，激 励扭转模态的振动，通过角速率陀螺检测扭转模态的振动，分析获得扭转振动模态的前二 阶频率；
(3) 利用计算或辨识得到的振动频率信息，实现扭转模态的控制策略；控制策略包括 对采集的角速率陀螺信号进行滑动平均滤波处理，控制采样时间为lms，采用20个采样数 据进行滑动平均，并采用复合PPF&PD非线性控制算法计算；根据步骤(2)辨识得到的扭转 振动模态频率，通过人机交互界面输入到复合PPF&PD非线性控制策略中，为主动控制设 置好了相应的参数；
(4) 用激振力锤激励挠性板扭转模态的振动，角速率陀螺传感器将检测的扭转振动信 息经过A/D转换卡采集振动信息到工业计算机，在显示器通过窗口实时显示扭转模态的振 动信息，通过人机界面，开启控制策略，控制量经D/A转换卡的输出信号经过压电陶瓷电 源放大后驱动扭转模态驱动器，进行扭转模态的振动控制；
(5) 开启施加控制策略后，通过显示器实时显示扭转振动控制效果，并记录存储角速 率陀螺采集的数据进行分析；
(6) 重复步骤(4)、 (5)，并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制策略和 相应的参数进行试验，参数调整为步骤(1)中所述的PPF&PD控制算法参数，直到获得良好 的控制效果。
本发明与现有技术比较具有如下优点和有益效果
(1) 角速率陀螺频带宽，质量小，安装方便，接线少、结构紧凑，仅采用一只单轴角 速率陀螺合理安装，就实现了仅能检测到悬臂板的扭转模态振动，而检测不到弯曲模态的 振动，很容易实现弯曲和扭转振动模态在检测上的解耦，同时采用压电驱动器合理布置， 实现了弯曲和扭转模态驱动控制上的解耦；这样就可实现了挠性悬臂板的振动控制。
(2) 由于采用单轴角速率陀螺作传感器仅检测回转轴的转动信息，所以检测的扭转模 态中不含有弯曲模态的信息，从解耦的角度讲，实现起来更容易、彻底；并且对安装精度 的要求不十分高，只要检测的回转轴与挠性悬臂板的扭转模态节线近似平行即可。
图1是本发明的一种可选实施实例试验装置组成示意图。
图2是图1示可选实例中悬臂板的角速率陀螺传感器和压电驱动器配置分布示意图。图3是图1示可选实例中系统振动控制程序流程框图。
图4(a)和图4(b)分别是图1示实例第一阶扭转模态振动未控制和控制响应时间历程图。 图5(a)和图5(b)分别是图1示实例前二阶扭转模态振动未控制和控制响应时间历程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限 于实施例表达的范围。
如图1所示， 一种基于角速率陀螺的模拟太空帆板扭转振动控制装置包括机械支架夹 持装置13、挠性板3、弯曲模态压电驱动器l、弯曲模态传感器2、扭转模态驱动器4、用 于检测扭转模态的角速率陀螺传感器5、激振力锤6、极低频电荷放大器7、多通道A/D转 换数据采集卡8、计算机9、多通道D/A转换卡10、多路压电陶瓷电源ll、和液晶显示器 12。机械支架夹持装置13主要由扁平矩形基坐板、矩形柱状支架和等腰梯形夹板组成；夹 板用于夹持挠性板3。选取挠性板3时，根据长宽和厚度能够支撑，并且安装角速率陀螺 传感器5后悬臂支撑时不发生翘曲，稳定性好即可。如挠性板2尺寸为 1045mmx500mmxl.78mm的环氧树脂板，环氧树脂板弹性模量为￡p = 34.64 GPa，密度为
pp=l 865kg/m3。将挠性板的夹持端加工，钻出螺栓连接孔，以便与支架和夹板的固定夹
持。为了安装角速率陀螺传感器，在悬臂板端部相应位置根据角速率陀螺的配置位置钻出 螺栓连接孔。
根据能控性(弯曲模态压电驱动器1、扭转模态驱动器4分别对挠性板的驱动控制能 力)和能观性(弯曲模态传感器2和角速率陀螺传感器5分别对挠性悬臂板弯曲和扭转振 动的观测能力)准则，对弯曲模态传感器2、角速率陀螺传感器5、弯曲模态压电驱动器 l和扭转模态驱动器4进行优化配置；在挠性板3固定端横向(图中水平方向)20 25mm 处前后两面对称粘贴的多片压电陶瓷片，多片压电陶瓷片之间在挠性板的纵向距离为20 160mm，姿态角度为O。，多片压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起组成弯曲模态压电 驱动器1。弯曲模态传感器2在挠性板3的横向靠近固定端20 25mm处，位于挠性板3 的纵向中间位置；在挠性板双面靠近自由端反对称粘贴多片压电陶瓷片，压电陶瓷片双面 极性相同并联连接在一起组成扭转模态驱动器4，反对称粘贴是指正面的压电陶瓷片姿态 角度为45°，反面压电陶瓷片的姿态角与正面垂直，都位于挠性板3靠近自由端一段距离的 纵向中间位置，横向范围可选35 100mm，扭转模态驱动器4的压电陶瓷片之间双面接线 信号的极性相同，并联连接联系一起组成扭转模态驱动器。角速率陀螺传感器5安装在挠性板3的自由端(与固定端相对端)的纵向中间位置，保证角速率陀螺的检测轴线与挠性
悬臂板扭转模态的节线(即纵向中线)平行，优选安装在挠性板自由端纵向中部。
本实例中，对于弯曲模态驱动器1，选取八片压电陶瓷片对称分布，在挠性板3的纵 向距离为90mm，在挠性板3的横向靠近固定端20mm处，双面按图2的位置在环氧树脂 板的正反面对称粘贴，每面四片，双面的信号线极性相反，仅驱动多阶弯曲模态；弯曲模 态传感器2也为压电陶瓷片，弯曲模态传感器2仅一片压电陶瓷片粘贴在挠性板3的横向 靠近固定端20mm处，在挠性板3的纵向中间位置；这里弯曲模态压电陶瓷片的姿态角度 (压电陶瓷片与挠性板3的横向夹角)为0°，弯曲模态驱动器1距离弯曲模态传感器2最 近的一片在挠性板3的纵向之间的距离为90mm。扭转模态驱动器4共六片压电陶瓷片， 每面三片压电陶瓷片，在挠性板上正反面在挠性板3的双面反对称粘贴，在挠性板3的纵 向的中间位置，在挠性板3的横向距离为48mm，双面的信号线的极性相同，这样目的是 为了抵消掉弯曲模态的信息，仅驱动扭转模态的信息；这里扭转模态压电陶瓷片的姿态角 度(压电陶瓷片与挠性板3的横向夹角)为45°，扭转模态驱动器4的多片压电陶瓷片的中 心与弯曲模态压电驱动器1或弯曲模态的压电传感器2在挠性板3的横向距离为693mm， 如图2所示。扭转模态驱动器4和弯曲模态压电驱动器1采用多片压电陶瓷片是为了增加 驱动能力。并且，从试验振动控制结果表明，这样选择传感器和驱动器及配置方式可以实 现弯曲和扭转振动模态很好地解耦(因为挠性悬臂板的振动模态包含多弯曲和多扭转模态 耦合在一起的，解耦是通过压电传感器和驱动器的优化配置将弯曲和扭转模态在检测和驱 动控制分离出来，分别进行)。
本实例中压电陶瓷片(包括弯曲模态压电驱动器1、弯曲模态传感器2和扭转模态驱
动器4都是采用多片压电陶瓷片构成)的尺寸为50mmxl5mmxlmm，弹性模量和压电应
变常量分别为￡pe=63GPa， c/31=166 pm/V。对角速率陀螺传感器的要求是要满足测量挠性 板时的量程范围和频率范围，即角速率传感器测量的最低频率要低于挠性板的低阶扭转振 动模态频率，并且其测量的频率范围要高于考虑挠性板控制的扭转模态最高频率范围。本 实例中选取的角速率陀螺传感器测量的频率范围为小于或等于50Hz。
弯曲模态传感器2与极低频电荷放大器7信号连接，极低频电荷放大器7和角速率陀 螺传感器5分别通过多通道A/D转换数据采集卡8与计算机9信号连接，计算机9接显示 器12。弯曲模态压电驱动器1和扭转模态驱动器4分别与多路压电陶瓷电源11 (多路是指 一台压电陶瓷电源有多个驱动放大通道)连接。弯曲模态压电驱动器1中的所有压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起组成一路弯曲驱动器，与多路压电陶瓷电源ll连接，扭转 模态驱动器4是双面极性相同并联连接在一起组成一路扭转模态驱动器与多路压电陶瓷电 源11连接，多路压电陶瓷电源11通过多通道D/A转换卡10与计算机9信号连接。多通道 A/D转换数据采集卡8和多通道D/A转换卡10可以是插入计算机9的IO扩展槽ISA总线 槽中。
角速率陀螺传感器5是由西安精准测控有限责任公司研制PA-ARG-B系列单轴石英 MEMS陀螺。它是用来测量角速率的无旋转马达的固态角速率传感器。它以压电石英材料 作为基底，用微机械加工(MEMS技术)的惯性敏感元件来测量旋转角速度。由于使用压 电石英材料，简化敏感元件，因而随着工作时间和温度变化时，它仍能具有超强稳定性和 可靠性。这里釆用的角速率陀螺的测量范围为±60 (°/S)，带宽(-3dB)大于50Hz。输入电压 +5±5%Vdc。角速率陀螺的偏置电压2.5士0.1V，输出电压0 5V (注全测量范围输出为 0.62 4.38V)。因此在应用角速率陀螺测量挠性悬臂板扭转振动模态时，将测量的信号经 过A/D转换到计算机数字信号后，在将直流偏置电压2.5i0.1V (根据检测的数值)减去， 然后乘以放大增益50倍，将信号放大到可以显示应用的范围，用于扭转振动的测量和主动 控制。本发明所采用的角速率陀螺的质量为32克，安装角速率陀螺直角支架质量为18克。
激振力锤6用于敲击挠性板3进行扭转与弯曲模量测试，可用ENDEVCO公司生产的 2302-10型激振力锤。极低频电荷放大器7可选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷 放大器;多通道A/D转换数据采集卡8可用台湾研华科技公司生产的型号为PCL-818HDA/D 转换数据采集卡；计算机9可用台湾研华IPC610机箱，PCA-6006主板，生产单位台湾 研华科技公司，Pentium IV 2.4G Intel CPU;多通道D/A转换卡10可用台湾研华科技公司 的PCL-727型D/A转换卡；多路压电驱动高压放大器11还可选用型号为APEX-PA241DW 或APEX-PA240CX放大器，其研制单位为华南理工大学。放大倍数可达到52倍，即将 -5V +5V放大到-260V +260V。
本发明控制程序基于0++编写，其中包括A/D转换数据采集卡8和D/A转换卡10的 驱动及转换，信号的滑动平均数字滤波算法，实现友好的人机交互界面，在显示器12实时 显示相关信息，提供了实时观测功能，控制的开启和关闭，控制策略参数的输入，数据保 存等方便操作。本发明可以实现友好的人机交互界面，可以在显示器12实时显示A/D转 换数据采集卡8采集的弯曲和扭转模态的信息，控制量经过D/A转换卡10的输出，控制 算法的实现和控制参数的调整，以及控制策略的开启和关闭。
利用上述装置，模拟太空帆板弯曲和扭转模态振动抑制的基于角速率陀螺传感器反馈的压电智能挠性悬臂主动控制方法包括如下步骤-
(1) 开启计算机，进行参数初始化；包括控制算法参数的初始值设定，A/D数据采集和
D/A输出控制卡相应的初始数据、控制地址和驱动方式的设定，D/A输出数据设定为0，保 证初始状态扭转模态压电驱动器无激励电压信号；
(2) 开启角速率陀螺传感器供电电源，压电陶瓷电源；采用激振力缍激振辨识法，激 励扭转模态的振动，通过角速率陀螺检测扭转模态的振动，分析获得模态频率；这里采用 单轴角速率陀螺传感器，安装时保证角速率陀螺所测量的角速度回转轴线与挠性悬臂板扭 转模态节线(悬臂板纵向对称线，即纵向中线)平行，这样仅检测到挠性悬臂板扭转模态 的振动信息；
关于弯曲模态的激励和控制同申请人申请的"太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动 控制装置与方法(申请号为200810027186.4〉"。
用力锤激励扭转模态方法用力锤6在挠性板3的横向自由端的纵向端部推出一定距 离便激励了第一阶扭转模态，若在同样激励位置敲击一下便激励前二阶扭转振动模态，当 然，激励扭转振动模态时，同时也会激励弯曲振动模态，但通过角速率陀螺传感器5的配 置方式仅能检测挠性悬臂板的扭转振动模态。通过采集卡8采集记录角速率陀螺传感器5 测量扭转模态信息得到扭转模态自由振动响应结果，将数据记录，并将时域信号通过快速 傅立叶变换(FFT)获得模态频率。
(3) 利用计算或辨识得到的振动频率信息，实现扭转模态的控制策略；控制策略包括 对采集的角速率陀螺信号进行滑动平均滤波处理，控制采样时间为lms,采用20个采样数 据进行滑动平均，并采用复合PPF&PD非线性控制算法计算；根据步骤(2)辨识得到的扭转 振动模态频率，通过人机交互界面输入到PPF&PD非线性控制策略中，为主动控制设置好 了相应的参数；
(4) 用激振力锤激励挠性板扭转模态的振动，角速率陀螺传感器将检测的振动信息经过 A/D转换卡采集振动信息到工业计算机，在显示器通过窗口实时显示扭转模态的振动信息， 通过人机界面，开启控制策略，控制量经D/A转换卡的输出信号经过压电陶瓷电源放大后 驱动扭转模态驱动器，进行扭转模态的振动控制；
(5) 开启施加控制策略后，通过显示器实时显示扭转振动控制效果，并记录存储角速率 陀螺采集的数据进行分析；
(6) 重复步骤(4)、 (5)，并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制策略和 相应的参数进行试验，参数调整为步骤(1)中所述的PPF&PD控制算法参数，直到获得良好的控制效果。
按照步骤(2)的激励记录方法，经过2次激励，分别得到第一阶、前二阶扭转模态未控 制自由衰减的响应时间历程图试验结果曲线分别如图4(a)和图5(a)所示。其中图4(a)和图 5(a)是按照步骤(5)分别激励第一阶和前二阶扭转模态振动时采集记录角速率陀螺传感器4 的信号；从未控制实验记录的时间历程可知，该发明选用尺寸较大的悬臂板，振动模态频 率较低，可以模拟太空帆板的弯曲和扭转振动，并且本发明的基于角速率陀螺传感器的安 装方式和压电片驱动器的配置方法可以实现挠性悬臂板弯曲和扭转模态在检测上的解耦。 和现有技术相比，很容易地实现弯曲和扭转振动模态在检测上的解耦，从图4(a)和图5(a) 的角速率陀螺测量未控制扭转模态振动结果可知，弯曲和扭转模态之间的信号解耦效果很 好，可用本发明的方法进行检测扭转模态的振动信息。
按照本发明的基于角速率陀螺进行扭转振动模态反馈控制方法，对扭转振动模态进行 控制，按照步骤(4)和(5)的方法记录的扭转模态振动主动控制的试验结果如图4(b)、图5(b) 所示，图4(b)和图5(b)分别为记录角速率陀螺传感器5检测的第一阶和前二阶扭转模态振 动控制响应时间历程图。从控制的实验结果可知，本发明的基于角速率陀螺传感器进行扭 转模态的振动控制方法可以实现扭转振动的快速抑制。
图4(a)为角速率陀螺传感器检测第一阶扭转模态未控制自由衰减的响应时间历程图试 验结果曲线，从中可知，对于挠性悬臂板第一阶扭转模态的振动，自由衰减需要很长时间， 记录15s自由衰减时间振动还有一定的幅值，若振动完全消除需要30s以上时间，小幅值 振动持续很长时间；第一阶扭转振动模态的频率为4.26Hz;图4(b)为第一阶扭转模态采用 复合PPF&PD控制策略后的响应时间历程图试验结果曲线，可知，主动控制挠性悬臂板第 一阶扭转模态的振动，振动完全抑制需要5S时间。图5(a)为前二阶扭转模态未控制自由衰 减的响应时间历程图试验结果曲线，可知，对于挠性悬臂板前阶扭转模态的振动，自由衰 减需要很长时间，本图记录了8s自由衰减时间振动还有一定的幅值，若振动完全消除需要 30s以上时间，小幅值振动持续很长时间；第一阶扭转振动模态的频率为4.26Hz，第二阶 扭转振动模态的频率为13.45Hz;图5(b)为前二阶扭转模态采用复合PPF&PD控制策略后 的响应时间历程图试验结果曲线，可知，主动控制挠性悬臂板前二阶扭转模态的振动，振 动完全抑制需要5s时间；可知，本发明的采用角速率陀螺传感器通过合理配置方式作为扭 转模态传感器对扭转模态振动控制的有效性。于传统方法相比，本发明的装置很容易实现 挠性悬臂板弯曲和扭转振动模态的解耦，并且采用角速率陀螺传感器可以有效地实现挠性 悬臂板扭转振动模态的控制。本发明得到国家自然科学基金项目"带有柔性铰链和基坐浮动的大型挠性结构的建模 及振动主动控制研究"(项目编号60404020)，国家自然科学基金空天飞行器重大研究计 划项目"航天器刚柔耦合结构复杂系统的智能自主控制研究"(项目编号90505014)的资助。
权利要求
1、一种基于角速率陀螺的模拟太空帆板扭转振动控制装置，其特征在于该装置的挠性板通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，挠性板通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，在挠性板固定端横向20～25mm处前后两面对称粘贴的多片压电陶瓷片，多片压电陶瓷片之间在挠性板的纵向距离为20～160mm，姿态角度为0°，多片压电陶瓷片双面极性相反并联连接在一起组成弯曲模态压电驱动器；弯曲模态传感器为一片压电陶瓷片，在挠性板的横向靠近固定端20～25mm处，位于挠性板的纵向中线，姿态角度为0°；在挠性板靠近自由端一段距离的纵向中部双面反对称粘贴多片压电陶瓷片，压电陶瓷片双面极性相同并联连接在一起组成扭转模态驱动器，扭转模态驱动器的压电陶瓷片之间在横向距离为35～100mm，扭转模态驱动器的压电陶瓷片姿态角度为45°；角速率陀螺传感器安装在挠性板的自由端纵向中间位置，角速率陀螺传感器的检测轴线和挠性板扭转振动模态的节线平行；弯曲模态传感器与极低频电荷放大器信号连接，极低频电荷放大器和角速率陀螺传感器分别通过多通道A/D转换数据采集卡与计算机信号连接；弯曲模态压电驱动器和扭转模态驱动器分别与多路压电陶瓷电源连接；多路压电陶瓷电源通过多通道D/A转换卡与计算机信号连接。
2、 根据权利要求1所述的基于角速率陀螺传感器的挠性悬臂板振动扭转模态振动主动 控制装置，其特征在于所述反对称粘贴是指正面的压电陶瓷片姿态角度为45。，反面压电 陶瓷片的姿态角与正面垂直，都位于挠性板的靠近自由端一段距离的纵向中间位置。
3、 根据权利要求1所述的基于角速率陀螺传感器的挠性悬臂板振动扭转模态振动主动 控制装置，其特征在于所述角速率陀螺传感器安装在挠性板的自由端纵向中间位置。
4、 根据权利要求1或3所述的基于角速率陀螺传感器的挠性悬臂板振动扭转模态振动 主动控制装置，其特征在于所述角速率陀螺传感器是单轴石英MEMS陀螺。
5、 应用权利要求1所述装置进行基于角速率陀螺传感器的挠性悬臂板扭转振动控制的方法，其特征在于包括如下步骤(1) 开启计算机，进行参数初始化；包括控制算法参数的初始值设定，A/D数据采集和D/A输出控制卡相应的初始数据、控制地址和驱动方式的设定，D/A输出数据设定为0， 保证初始状态扭转模态压电驱动器无激励电压信号；(2) 开启角速率陀螺传感器供电电源，压电陶瓷电源；采用激振力锤激振辨识法，激 励扭转模态的振动，通过角速率陀螺检测扭转模态的振动，分析获得扭转振动模态的前二 阶模态频率；(3) 利用计算或辨识得到的振动频率信息，实现扭转模态的控制策略；控制策略包括-对采集的角速率陀螺信号进行滑动平均滤波处理，控制采样时间为lms，采用20个采样数 据进行滑动平均，并采用复合PPF&PD非线性控制算法计算；根据步骤(2)辨识得到的扭转 振动模态频率，通过人机交互界面输入到复合PPF&PD非线性控制策略中，为主动控制设 置相应的参数；(4) 用激振力锤激励挠性板扭转模态的振动，角速率陀螺传感器将检测的扭转振动信 息经过A/D转换卡采集振动信息到工业计算机，在显示器通过窗口实时显示扭转模态的振 动信息，通过人机界面，开启控制策略，控制量经D/A转换卡的输出信号经过压电陶瓷电 源放大后驱动扭转模态驱动器，进行扭转模态的振动控制；(5) 开启施加控制策略后，通过显示器实时显示扭转振动控制效果，并记录存储角速率 陀螺采集的数据进行分析；(6) 重复步骤(4)、 (5)，并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制策略和 相应的参数进行试验，参数调整为步骤(1)中所述的PPF&PD控制算法参数，直到获得良好 的控制效果。
全文摘要
本发明公开了基于角速率陀螺的模拟太空帆板扭转振动控制装置与方法。该装置在挠性悬臂板自由端纵向中间位置安装角速率陀螺作为检测扭转模态振动的传感器，在自由端纵向中部双面反对称粘贴多片压电陶瓷片，压电陶瓷片双面极性相同并联连接在一起组成扭转模态驱动器。在靠近悬臂板固定端双面对称粘贴多片压电陶瓷片作为弯曲模态的传感器和驱动器。该方法利用角速率陀螺安装方式和压电陶瓷片的优化配置，实现了挠性悬臂板的弯曲和扭转振动模态在检测和驱动控制上的解耦，实现了挠性板振动主动抑制的目的。本方法主要涉及到基于角速率陀螺传感器和压电扭转模态驱动器实现挠性板扭转模态振动主动抑制。
文档编号F16F15/02GK101318561SQ20081002877
公开日2008年12月10日 申请日期2008年6月13日 优先权日2008年6月13日
发明者东 张, 琳 李, 谢存禧, 邱志成 申请人:华南理工大学