航天器新型結構技術與控制實驗

1、航天器新型結構技術與控制實驗實驗指導書航天器設計優(yōu)化與動態(tài)模擬技術實驗室2007年3月目錄、八、-丄前 言 1.實驗一：基于 DASP 的結構模態(tài)測試 3.實驗二：基于 dSPACE 的結構振動實驗 1.6實驗三：基于 DSP 的結構振動控制實驗 2.3實驗四：智能結構動力學建模與仿真實驗 3.5實驗五：智能結構振動控制實驗 4.0附 錄： PID 控制算法 4.1.參考手冊 4.5.、八前言人類航天活動的規(guī)模日益擴大， 對于空間探索的技術需求迅速增加。 各類航 天器日趨大型化，對空間結構的設計和工作提出了更加嚴格的要求。以空間站、 空間實驗室為代表的大型航天器功能強大， 技術高度集成， 必然

2、會帶來超大的結 構系統(tǒng)尺寸和質量， 這給飛行器工作過程的控制與維護帶來了大量的新問題。 與 此同時，隨著材料、電子和計算機等高新科技的突飛猛進，使得設計、制造功能 更加完善，從而使具備較強適應能力的現(xiàn)代大型航天器成為可能?？臻g實驗室或其它大型航天器結構， 如可展開太陽帆板、空間反射器、精密 天線及其支撐結構、柔性機械臂等，通常具有尺寸大、高柔性、低阻尼的特點， 而飛行器在軌運行時，不可避免地會受到各種擾動，如姿態(tài)控制、軌道機動、停 靠對接、遙控操縱、設備運轉和人員走動等，都會產(chǎn)生擾動力，引起結構振動甚 至導致毀壞性的振動失控。 長時間的振動會影響飛行器操作的準確性， 引起材料 疲勞而降低結構的

3、使用壽命； 艙體結構的振動還會影響內(nèi)部儀器的正常工作并產(chǎn) 生噪音污染工作環(huán)境。此外， 對于空間實驗室上安裝的某些設施如光學儀器、 大 型天線等， 其組成結構和支持結構不僅有極高的穩(wěn)定性要求， 還具有極高的保形 要求，在工作期間必須保證精確的位置、指向和外形。由于不可避免的制造、裝 配誤差、溫度變化以及光照不均勻等的影響，將引起結構變形。上述擾動和變形 往往使所測數(shù)據(jù)信息不可靠或無效，或導致設備工作效率降低。因此， 結構的振 動抑制和形狀控制技術一直受到航天器研究和設計人員的極大關注， 也是長期留 軌大型空間飛行器必須解決的關鍵技術。由于結構的復雜性和苛刻的設計要求， 采用常規(guī)結構及其設計方法很

4、難或根 本不可能滿足這類結構的要求。 常規(guī)結構在空間運行期間發(fā)生振動和變形時， 結 構本身不具備增加剛度和阻尼， 及調整形狀的能力， 在空間無法預料的復雜環(huán)境 中，難以得到及時調整或控制，以滿足空間結構的工作要求。在這種情況下，結 構設計必須另求出路。 上個世紀 70年代末和 80 年代初，美國軍方和宇航局為了 提高其飛行器的性能， 提出了結構控制一體化設計新思想， 即自適應或智能結 構的概念。 從此，智能結構技術得到了廣泛關注，探索新的智能結構及其控制技 術成為新的研究熱點。智能結構是一種新型的結構系統(tǒng)， 是將傳感元件、 驅動元件和控制系統(tǒng)結合 或融合在基體而形成的一種材料器件的復合結構。它

5、一般由結構本體、作動器、 傳感器、 控制邏輯單元、 信號采集處理單元和功放器件等部分組成。 作動器和傳 感器一般安裝在傳力路線上， 這些部件組成閉環(huán)控制系統(tǒng)以實現(xiàn)自控目的。 反饋 信號可分為速度、加速度、力，一般還有熱、位移等。相應地，所用的傳感器也 分為速度傳感器、加速度傳感器和力傳感器以及熱和位移傳感器。智能結構不僅具有承受載荷的能力， 而且可通過自身的傳感元件感知環(huán)境變 化，由控制系統(tǒng)進行分析、判斷并發(fā)出指令，最后通過驅動元件的動作，自主且 有力地改變結構的幾何狀態(tài)和固有性質 （剛度、阻尼、頻率 ） 。實現(xiàn)自檢測、自診 斷、自適應、自監(jiān)控、自校正、自修復等多種功能。有關專家預測，繼復合材

6、料 之后，航空航天的結構材料的下一個技術階段將是智能材料與智能結構階段， 智 能結構必將成為今后各個領域內(nèi)較為重要的結構形式。智能結構技術涉及作動器技術、 傳感器技術、器件配置技術、 結構建模技術、 控制技術、參數(shù)動態(tài)識別等技術， 本實驗提供了控制目標結構測床， 配置了傳感 器、作動器、測試設備和控制設備，開展的實驗包括結構參數(shù)建模與分析、結構 振動測試和掃頻實驗。本手冊包括五個實驗：1. 基于DASP勺結構振動模態(tài)測試；2. 基于dSPACE勺智能桁架激振與結構動力學參數(shù)測試；3. 基于DSP的結構振動控制實驗；4. 智能結構動力學建模與仿真實驗；5. 智能結構振動控制實驗（演示實驗） 。實

7、驗中所使用勺智能結構測床是壓電復合桁架結構， 以主動桿（直線式壓電 作動器）取代原結構中若干關鍵部位勺被動桿件， 從而形成智能結構勺一種結構 形式。壓電復合桁架結構具有質量小，承載能力良好，易于拆裝和展開勺特點， 可大量用于大型空間結構勺構建。 結構中所用主動桿， 是采用壓電陶瓷制成勺作 動器。將其嵌入結構后， 可以根據(jù)結構勺動態(tài)特性和控制要求， 實時調節(jié)結構勺 性能，以達到抑制振動勺目勺。實驗勺構成由三個動手測試實驗、 一個仿真實驗和一個演示實驗組成， 五個 實驗覆蓋了智能結構動力學參數(shù)識別、 動力學建模與仿真和智能結構振動控制幾 個方面，其組成較為全面，通過實驗，不僅使學生認識掌握空間柔性

8、結構特性、 結構動力學建?；痉椒?、 動力學參數(shù)測試方法和新型結構控制技術， 而且鍛煉 了學生勺動手能力、 加深了學生對專業(yè)基礎知識勺理解、 提高了對知識勺應用能 力，全面系統(tǒng)勺實驗課程設計，較為全面地培養(yǎng)了學生勺綜合能力。動力學建模與仿真實驗中需自行編制軟件程序， 建立結構動力學模型， 分析 計算結構動力學參數(shù)，分析建立。實驗一：基于DASP的結構模態(tài)測試實驗目的初步了解智能結構實驗平臺的組成；了解自適應 /智能桁架結構的設計與工 作原理；了解DASP模態(tài)測試系統(tǒng)的組成、工作原理及關鍵性能參數(shù)；應用DASP 軟件建立結構模型，并分別使用錘擊法和快速正弦掃描法進行結構振動實驗。實驗原理實驗關注

9、的主要是模態(tài)分析。通過實驗測量系統(tǒng)的振動響應信號，或同時測 量系統(tǒng)的激勵信號、響應信號，從測量到的信號中，識別描述系統(tǒng)動力學特征的 有關參數(shù)。識別的主要內(nèi)容有以下兩種： 度矩陣和阻尼矩陣；（2）模態(tài)參數(shù)識別， 包括固有頻率、衰減系數(shù)、模態(tài)矢量、模 態(tài)剛度和模態(tài)阻尼。模態(tài)分析系統(tǒng)一般由 以下三部分組成：（1）激振系統(tǒng)，使系統(tǒng) 產(chǎn)生振動；（2）測量系統(tǒng)，用傳感器測量 實驗對象的各主要部位上的位移、速度或 加速度振動信號，然后將這些信號與激振 信號一起記錄下來；（3）分析系統(tǒng)，將記 錄下來的信號進過模數(shù)轉換，采樣輸入到 計算機中，用軟件系統(tǒng)識別振動系統(tǒng)的模 態(tài)參數(shù)。實驗流程如圖1.1所示。（1）物理

10、參數(shù)識別，包括質量矩陣、剛圖1.1實驗流程圖在實驗中，激振方式分別采用錘擊法和快速正弦掃描法。錘擊法是脈沖激振法中最常用的一種方法。 脈沖激勵的理論基礎是采用單位 脈沖函數(shù)S （t）對被測結構進行激勵。其脈沖的持續(xù)時間t -0,則其頻率范圍為無 限大，且是連續(xù)的。在脈沖力寬頻信號的激勵下，就能把實驗對象的各階固有頻 率都激發(fā)出來。所以，脈沖激振法是一種寬頻激振。力錘的激勵信號如圖1.2所示。t I)圖1.2力錘脈沖信號把脈沖力和激發(fā)起來的響應信號同時輸入數(shù)字信號處理分析系統(tǒng)的兩個通 道中，進行模/數(shù)轉換及濾波后，就可做快速傅立葉變換（FFT）,分析出它們各 自的幅值譜、相位譜和互譜密度函數(shù)。

11、再經(jīng)計算，得出它們各自的傳遞函數(shù)和相 干函數(shù)等，結合運用對多自由度復雜結構的模態(tài)分析技術，在經(jīng)過模態(tài)分析處理軟件處理后，識別出被測對象各階模態(tài)下的各種動態(tài)特性參數(shù)，并可顯示出各階振型。實驗中首先使用錘擊法對桁架結構進行脈沖激勵。激振工具僅為一只帶有力 傳感器的敲擊錘（如圖1.3所示），一般由人工進行操作，憑借實驗者熟練的敲 擊手法，就能實現(xiàn)對被測試件的脈沖激勵。 錘擊法簡單易行，無需價格昂貴的儀 器設備，實驗時也不會對試件產(chǎn)生附加質量、 附加剛度等副作用，并且激振點的 選擇不受敲擊錘本身結構的限制， 可以在不能安裝激振器的部位實現(xiàn)激振， 能很圖1.3力錘結構示意圖力錘的性能決定了激振力脈沖的幅

12、值和持續(xù)時間， 進而就確定了頻域中力脈 沖的幅值和頻率范圍。手錘兩個重要性能是：重量和錘頭墊的硬度。錘頭墊越硬, 敲擊的時間越短，力脈沖越窄，頻率范圍越寬廣。錘的重量不僅影響力的大小，也會影響脈沖寬度，錘頭質量大，敲擊時間一般也較大。當然，與被測物體的剛 度也有關，這由試件結構決定，在實驗過程中要注意到試件各部位的剛度變化情 況，敲擊點不應選擇在剛度較弱的部位。 三棱柱桁架柔性較大，因此應該選擇較 軟的錘頭墊。實驗系統(tǒng)的構建如圖1.4所示，采用脈沖錘擊法時，為了消除噪聲干擾，必 須采用多次平均的方法。J:i.v咚僅圖1.4錘擊法實驗系統(tǒng)示意圖快速正弦掃描激振法要求信號發(fā)生器能在整個測試頻率區(qū)間

13、內(nèi)做快速掃描，掃描時間約為幾秒到幾百秒，目的是希望得到一個近似的平直譜， 平直譜的激發(fā)圖1.5快速正弦掃描信號力在整個掃描頻率范圍內(nèi)基本相等，掃描函數(shù)為0t 外擴總線J4, J5： D A 珂BootLosderRESET ： f-能3卄跳線-Jj XLED eQ,源指 dtJJI i +5V 電 源接口選擇開關PS： JTAGDSP ft (I 器接門電押開關P6：九針D型串口二 Ph 34 芯 外擴總線圖3.3 ICETEK-C6713-A 評估板接口說明圖P8：弭芯外押簽S2： 4-5V1DSPVWCPLD*ISDRAM13 31 2* 即申十汕 t 7 B 1 t I M 31 U 囂

14、 ID 21I2 ID S 4 2dFLASHM V11*79334 汕,1 10 B S 4圖3.4 ICETEK-C6713-A 評估板器件布局圖表1 P2部分管腳定義和說明管腳號管腳名說明1VCCA模擬電源+ 5V2VCCA模擬電源+ 5V5AIN1模擬輸入通道16AIN4模擬輸入通道47AIN2模擬輸入通道28AIN5模擬輸入通道59AIN3模擬輸入通道310AIN6模擬輸入通道617AGND模擬地18AGND模擬地25DACOUT1模擬輸出通道126DACOUT2模擬輸出通道227DACOUT3模擬輸出通道328DACOUT4模擬輸出通道432INT5外部中斷533AGND模擬地34

15、AGND模擬地注：表中未說明之管腳均為“ NC”(保留)按照圖3.2連接各實驗儀器。其中ICETEK-C6713-A評估板由220V交流電 源通過變壓器供電，DSP仿真器通過USB接口與計算機連接。實驗中使用管腳 5(AIN1 )作為模擬輸入通道，即A/D通道；使用管腳25( DACOUT1 )作為模 擬輸出通道，即D/A通道。兩個通道均以夾線與其它儀器連接。力傳感器采集 的振動信號，經(jīng)由電荷放大器放大后接入 A/D通道；控制信號由D/A通道輸出， 經(jīng)過功率放大器，作用于作動器上。這樣，就完成了實驗平臺物理通路的連接。2. 安裝并設置開發(fā)軟件(1) 構造DSP開發(fā)軟件環(huán)境安裝 Code Composer Studio (CCS)軟件：(假定將CCS安裝在默認目錄C:ti中，同時也建議用戶按照默認目錄安裝) 在硬盤上建立一個臨時目錄，如：D:temp。 將附帶的教學光盤插入計算機光盤驅動器。 打開教學光盤的“CCS開發(fā)軟件”目錄，用鼠標右鍵單擊文件ccs6000.exe 選擇“用 Win RAR打開”。在打開的窗口中選擇將所有文件解壓縮到第 步建立的臨時文件夾中。關閉 Win RAR窗口