星上挠性振动的二元智能结构控制装置及控制方法，包括若干个压电敏感器、若干根形状记忆合金丝和控制器，若干个压电敏感器通过电缆将感应到的电压传输到控制器，控制器将电压转换为形状记忆合金丝控制电流通过电缆传输到若干根形状记忆合金丝，控制形状记忆合金丝产生张力，来控制星上挠性振动。本发明专利技术采用压电陶瓷（ＰＺＴ）作为应变测量敏感器，形状记忆合金丝（ＳＭＡ）作为执行机构，发挥这两种智能材料各自的优点，而避免其缺点，即压电作为敏感器具有灵敏度高的特点，但作为驱动器则驱动力小，且无法布置于铰链等处（否则影响帆板展开）；而形状记忆合金作为驱动器其驱动力比压电大很多，且可以折叠，不影响帆板展开和锁定。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种星上挠性振动的智能控制装置及控制方法，特别是涉及一种二元 智能结构控制装置及控制方法，属于航天器高精度高稳定度姿态控制
技术介绍
大型复杂卫星，诸如以0. Im甚高分辨率对地观测和1 10000立体测绘为代表的 复杂卫星，是多功能、高性能大型系统。这些复杂卫星往往呈现典型的大型多体挠性空间结 构，主要表现在多功能和高性能要求有效载荷的比重不断增加，而中心结构、天线、太阳帆 板等公用舱必将轻型化，因此必须将其作为挠性多体结构卫星。另一方面，这些复杂卫星又 迫切要求实现甚高精度姿态控制，以满足卫星甚高分辨率对地观测和测绘的要求。对于此类带有大型挠性部件的航天器，要实现高精度高稳定度姿态控制必须解决 挠性部件的振动抑制问题，比如大型展开式半刚性太阳翼。传统的星上集中控制，为了避免 对挠性模态的激励，控制系统带宽往往较低(比模态基频低一个数量级左右)。这样，一旦 挠性被某种外界因素激励(如轨道控制、空间热诱导灯)，挠性振动衰减缓慢，进而影响整 星的姿态控制精度。若采用常规的智能材料(如压电片)进行振动主动控制，也会遇到如下问题其 一，此类太阳翼由基板和铰链组成，由铰链产生的振动变形比基板大；而传统的压电片只能 粘贴于基板上，因此单独用压电片作为作动器，控制效果不佳；其二，采用压电片作为作动 器时，往往需要在太阳翼上布置较多的压电片，相应的信号线和功率线都分布于太阳翼上 并通过SADA的滑环传递信号，繁琐的布线可能影响太阳翼的展开和正常工作；其三，对于 较大幅度的太阳翼振动，压电作动器的驱动力显得不足。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种同时利用压电敏感器 和形状记忆合金作动器两种智能材料的二元智能结构控制装置及控制方法，充分发挥两张 智能材料的优势而避开其劣势，对于展开式半刚性太阳翼不仅能够对包含铰链在内的振动 施加控制，而且布线简单、驱动力大，不影响太阳翼展开。本专利技术的技术解决方案是星上挠性振动的二元智能结构控制装置，包括若干个 压电敏感器、若干根形状记忆合金丝和控制器，若干个压电敏感器通过电缆将感应到的电 压传输到控制器，控制器将电压转换为形状记忆合金丝控制电流通过电缆传输到若干根形 状记忆合金丝，控制形状记忆合金丝产生张力，来控制星上挠性振动。所述的压电敏感器安装在星上太阳翼结构表面上，安装位置处的模态应变大于a， a为预设的应变阈值。所述的形状记忆合金丝不少于2根，在星上太阳翼结构表面上均布，每根形状记 忆合金丝的一端固定于太阳翼根部的连接架上，另一端的固定点为所控模态的最大可控度 的位置处。所述的控制器采用PD控制算法、独立模态控制算法或独立模态正位反馈控制算 法将压电敏感器感应到的电压转换为形状记忆合金丝的控制电流。所述的预设的应变阈值a为0. 02。星上挠性振动的二元智能结构控制方法，通过以下步骤实现第一步，确定压电敏感器的安装位置，Al. 1、对太阳翼结构表面进行有限元分析，得到太阳翼在轨的挠性各阶模态应变 分布；Al. 2、根据需要控制的模态，将模态应变大于设定的阈值的区域确定为压电敏感 器的安装位置；第二步，确定形状记忆合金丝的安装位置，A2. 1、形状记忆合金丝在太阳翼结构表面上均布；A2. 2、每根形状记忆合金丝的一端固定于太阳翼根部的连接架上；A2. 3、利用有限元分析计算，得到所要控制的模态可控度最大的位置，确定此位置 为形状记忆合金丝的另一端的固定点；第三步，在第一步和第二步确定的安装位置上安装压电敏感器和形状记忆合金 丝，并将压电敏感器和形状记忆合金丝分别通过电缆与控制器连接；第四步，压电敏感器将感应到的电压传输到控制器；第五步，控制器利用PD控制算法、独立模态控制算法或独立模态正位反馈控制算 法将压电敏感器感应到的电压转换为形状记忆合金丝的控制电流，通过控制电流驱动形状 记忆合金丝产生张力，控制星上挠性振动。所述第二步形状记忆合金丝为双程形状记忆合金丝。本专利技术设计原理为保证图像成像质量，高分辨率详查对地侦察卫星一般要求实现高稳定度姿态控 制。星上挠性振动是制约高稳定度姿态控制的主要原因之一，对于遥感卫星而言，展开式的 太阳翼是其主要的挠性振动部件。尽管挠性振动主动控制技术已经出现多年，但针对挠性 太阳翼的主动振动控制还少有应用，特别是针对真实太阳翼这样的复杂结构。目前星上太阳翼挠性振动还缺乏有效的手段。基于被动阻尼材料的方法，对低频 模态效果不佳，且安装阻尼器带来的额外问题较多。基于压电材料的主动控制方法，则面临 问题是其一，压电片需要多点分布在太阳翼的各个基板上，再通过布线和SADA滑环将信 号传递回星体，不仅对滑环环数要求高，还造成布线繁杂，甚至影响太阳翼展开，工程应用 困难。其二，对于太阳翼铰链(板间及根部铰链)变形引起的振动，由于压电片不能布置于 铰链上，难有效果；其三，压电片驱动力有限，大幅振动控制效果不佳。本专利技术就是针对太阳翼这样的复杂挠性结构，设计了这样一种主动控制装置，既 能有效抑制其振动，而同时又不影响其展开和正常工作。本专利技术的二元智能结构控制装置采用压电陶瓷(PZT)作为应变测量敏感器，形状 记忆合金丝(SMA)作为执行机构，发挥这两种智能材料各自的优点，而避免其缺点。即压电 作为敏感器具有灵敏度高的特点，但作为驱动器则驱动力小，且无法布置于铰链等处(否 则影响帆板展开)；而形状记忆合金作为驱动器其驱动力比压电大很多，且可以折叠，不影 响帆板展开和锁定。首先分析真实太阳翼结构挠性振动的应变分布。利用有限元分析太阳翼在轨易于 激发的挠性模态及应变分布，其中要考虑太阳翼根部连接架和板间铰链。利用压电敏感器作为敏感元件，将其布置于需要控制模态的最大应变处。由于所 控模态非常有限，所布置的压电片数目也非常有限；对于所控一阶模态为一阶外弯的情况， 只需在基板与根部支架连接铰链附近的面板上布置压电片。采用双程形状记忆合金丝(SMA)作为振动控制作动器，安装于太阳翼的背面，并 将其一端固定于太阳翼的自由端，另一端固定于根部连接架；通过控制SAM中电流，驱动 SMA产生张力，达到控制振动的目的。由于SMA在非工作状态下可以任意折叠，因此不会影 响太阳翼的展开。本专利技术与现有技术相比有益效果为(1)本专利技术采用压电陶瓷(PZT)作为应变测量敏感器，形状记忆合金丝(SMA)作为 执行机构，发挥这两种智能材料各自的优点，而避免其缺点，即压电作为敏感器具有灵敏度 高的特点，但作为驱动器则驱动力小，且无法布置于铰链等处(否则影响帆板展开)；而形 状记忆合金作为驱动器其驱动力比压电大很多，且可以折叠，不影响帆板展开和锁定；(2)本专利技术通过确定了压电敏感器的安装位置和安装数量，以及形状记忆合金丝 的安装位置和安装数量，使得对所需控制的模态，敏感器和执行器配置数量最少；(4)分析和试验表明，在相同的脉冲激励下，采用本专利技术的控制方法，太阳翼振动 衰减时间为无控状态下自由衰减时间的20%左右。附图说明图1为本专利技术实施例中考虑前三阶弯曲模态的压电敏感器配置分布图；图2为本专利技术实施例中考虑基频模态的压电敏感器配置分布图；图3为本专利技术实施例中太阳翼上的形状记忆合金丝配置分布图；图4为本专利技术流程图。具体实施例方式本专利技术装置包括若干个压电本文档来自技高网...
【技术保护点】
星上挠性振动的二元智能结构控制装置，其特征在于：包括若干个压电敏感器、若干根形状记忆合金丝和控制器，若干个压电敏感器通过电缆将感应到的电压传输到控制器，控制器将电压转换为形状记忆合金丝控制电流通过电缆传输到若干根形状记忆合金丝，控制形状记忆合金丝产生张力，来控制星上挠性振动。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黎康，刘一武，杨孟飞，牟小刚，张勇智，张芸香，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：11
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