一种基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，主要是通过分析褶皱形态对薄膜结构动态特性的影响，建立了褶皱薄膜的动态模型；利用模态叠加法得到以固有振型为基础的空间向量，建立了不同载荷下褶皱薄膜的动力学模型；根据各阶模态对系统振动变形的贡献，对动力学模型进行缩聚，从而建立了面向控制的薄膜结构动力学模型；采用模型参考自适应控制器，结合PID控制器，提出了一种基于面内调控多模型切换的PID‑MRAC控制方法，本发明专利技术的方法无需在薄膜表面粘贴作动器，可有效地抑制薄膜面外振动，不会影响薄膜本身的特性，保证薄膜结构的稳定性，比传统的PID控制方法下的振动时间缩短了约39.7％。

【技术实现步骤摘要】
一种基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法
本专利技术属于控制工程
，具体涉及一种基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，用于更简单且更有效地抑制薄膜振动。
技术介绍
褶皱的出现显著降低了薄膜的表面精度，对薄膜结构的动态特性也存在一定影响，在无空气阻尼的太空环境中，薄膜结构一旦受到外界扰动，膜面振动将很难停止，加之薄膜本身的柔性特性对保证在轨稳定性和可控性带来一定难度，因此对褶皱薄膜的调控面临着严峻的挑战。国内外学者已开展的研究，目前，已有的动态调控方法主要有两类。一类是通过在薄膜表面粘贴作动器来抑制薄膜的振动。Renno针对薄膜条结构，提出了一种非线性控制方法。Ruggiero在薄膜镜表面分布多个压电作动器，设计了LQR(linearquadraticregulator)控制系统，Ferhat在此基础上提出了基于变分原理的求解方法，随后，针对一个四边固支的方形薄膜结构，通过在表面粘贴四个压电作动器，达到抑制振动的目的。然而对于超薄的薄膜材料，直接在其表面粘贴作动器，很难实现合理的布线，粘接处很容易出现褶皱，同时粘贴作动器后会改变局部的厚度和刚度，继而改变薄膜应力分布，最终影响本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)引入褶皱变形函数，建立褶皱薄膜的振动模型；(2)用有限元屈曲分析方法确定出褶皱薄膜的褶皱形态，更新有限元分析模型，并进行模态分析，得到步骤(1)振动模型在引入褶皱信息后的振动特性；(3)根据步骤(2)中得到的振动特性，用模态叠加法得到以固有振型为基础的空间向量，建立不同载荷下褶皱薄膜的动力学模型；(4)根据各阶模态对系统振动变形的贡献，对步骤(3)不同载荷下褶皱薄膜的动力学模型进行缩聚，建立面向控制的薄膜结构动力学模型；(5)结合步骤(4)的面向控制的薄膜结构动力学模型以及驱动装置的动力参数，建立驱动模型；(6)以...

【技术特征摘要】
1.一种基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)引入褶皱变形函数，建立褶皱薄膜的振动模型；(2)用有限元屈曲分析方法确定出褶皱薄膜的褶皱形态，更新有限元分析模型，并进行模态分析，得到步骤(1)振动模型在引入褶皱信息后的振动特性；(3)根据步骤(2)中得到的振动特性，用模态叠加法得到以固有振型为基础的空间向量，建立不同载荷下褶皱薄膜的动力学模型；(4)根据各阶模态对系统振动变形的贡献，对步骤(3)不同载荷下褶皱薄膜的动力学模型进行缩聚，建立面向控制的薄膜结构动力学模型；(5)结合步骤(4)的面向控制的薄膜结构动力学模型以及驱动装置的动力参数，建立驱动模型；(6)以步骤(5)建立的驱动模型作为被控对象，设计自适应参考控制模型，得到自适应参考控制模型的输出电压，加载到被控对象上，实现性能指标最优条件下的前馈补偿；(7)根据PID控制模型以及步骤(6)的自适应参考控制模型，得到多模型切换的PID-MRAC控制模型，并对其输出电压进行限幅滤波，加载到被控对象上，实现褶皱薄膜的主动振动控制。2.根据权利要求1所述的基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体方法为：(1.1)仅考虑薄膜的面外振动，令振动变形函数为wv，褶皱变形函数为wz，得到振动过程中褶皱薄膜弯曲形变势能Ep1和褶皱薄膜的应变势能Ep2以及褶皱薄膜的自由振动动能Ev，分别表达为：其中，εx是X方向应变，εy是Y方向应变，γxy是切应变，E是薄膜材料的杨氏模量，v是泊松比，hm是薄膜厚度；ρ为薄膜的密度；(1.2)将振动变形函数wv和褶皱变形函数wz都表示成级数形式：(1.3)将步骤(1.2)的振动变形函数wv和褶皱变形函数wz带入步骤(1.1)的振动过程中总势能Ep和自由振动动能Ev，则变形为：其中kijkl，kij，ki′jkl，mij均为中间变量；(1.4)结合步骤(1.3)的振动过程中总势能Ep和自由振动动能Ev，根据拉格朗日方程，得到非线性振动的微分方程：(1.5)根据步骤(1.4)的非线性振动的微分方程，得到非线性振动的矩阵表达式为：其中，M是质量矩阵，K是刚度矩阵。3.根据权利要求1所述的基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体方法为：2.1)采用有限元屈曲分析法得到褶皱薄膜在一定载荷作用下的褶皱形态；2.2)将步骤2.1)所得到的褶皱形态更新到有限元分析模型中，得到褶皱变形下的应力分布以及包含褶皱信息的刚度矩阵；2.3)利用步骤2.2)所得到的褶皱变形下的应力分布以及包含褶皱信息的刚度矩阵，进行模态分析，扩展模态，得到褶皱薄膜结构的各阶固有频率和模态振型。4.根据权利要求3所述的基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，其特征在于，步骤(2.2)中所述的刚度矩阵K包括初始应力刚度阵Kσ、线性刚度阵KL和褶皱引起的大变形刚度阵KNL。5.根据权利要求4所述的基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，其特征在于，在步骤(2.3)具体为：结合步骤(2.2)得到的包含褶皱信息的刚度矩阵，对步骤(1.5)非线性振动的矩阵表达式进行求解，得到下述方程：(K-ω2M)φejωt＝0其中，ω为考虑薄膜表面褶皱后的一组频率值，将其记为ω1,ω2,…,ωn，组成固有频率矩阵Ω为：进而得到第i阶模态振型：每一阶振型中包含nd个节点，各阶振型组成的模态振型矩阵为：中表示第i阶模态第j个节点的面外位移。6.根据权利要求5所述的基于面内调控的褶皱薄膜主动振动控制方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：3.1)根据步骤2.3)的褶皱薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明君，黄进，张卫亮，
申请(专利权)人：宝鸡文理学院，西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61