本發(fā)明涉及一種針對空間密頻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定自適應(yīng)模糊主動振動控制方法,適用于帶有超大機械口徑天線的電子偵察、微波遙感等復(fù)雜衛(wèi)星,可提高平臺姿態(tài)性能指標(biāo)和大天線指向精度,并在多天線指向、撓性大載荷運動等空間任務(wù)中發(fā)揮重要作用。
背景技術(shù):
復(fù)雜航天器為實現(xiàn)較高的分辨率和天線增益,常帶有超大尺寸天線。這對發(fā)射平臺而言是巨大的負荷,只能通過減小天線質(zhì)量密度和采用發(fā)射收攏、在軌展開的手段來實現(xiàn)。這類材料上超輕超薄、結(jié)構(gòu)上由基本框架周期性延伸拼接而成的撓性結(jié)構(gòu),其動力學(xué)特征體現(xiàn)為大撓度、弱阻尼、模態(tài)頻率低且密集,屬于典型的空間密頻結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)受到空間環(huán)境、姿軌控制作用的影響,極易引發(fā)撓性振動,不僅嚴(yán)重影響天線指向精度,而且容易造成結(jié)構(gòu)疲勞損傷,更重要的是因其與航天器主體運動高度耦合,將嚴(yán)重影響航天器的姿態(tài)精度和穩(wěn)定度,甚至導(dǎo)致控制系統(tǒng)失穩(wěn)。
近年來,航天器超靜平臺以及高性能有效載荷的任務(wù)目標(biāo)不斷推廣,空間結(jié)構(gòu)的振動控制受到了高度重視?,F(xiàn)有的振動控制技術(shù),大致可分為被動振動控制和主動振動控制兩種:被動振動控制以頻帶隔離技術(shù)為主,基本思想是依靠改變結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,或者壓縮控制系統(tǒng)帶寬來避免激發(fā)模態(tài)振動。主動振動控制則是以被控結(jié)構(gòu)對象的振動信息作為反饋,通過設(shè)計控制律,對結(jié)構(gòu)主動施加控制作用來改善系統(tǒng)動態(tài)特性。
目前復(fù)雜任務(wù)需求迫使控制系統(tǒng)采用更高的帶寬,同時空間密頻結(jié)構(gòu)往往具有低頻特性,這就使得許多振動模態(tài)落在主要干擾頻帶以及必要控制帶寬以內(nèi),單純靠壓低控制帶寬避免激勵振動的手段難以奏效。通過吸振、隔振及阻振來改變結(jié)構(gòu)特性的被動減振方式控制量相對較小,且設(shè)計制造完成后性能不易改變,難以適應(yīng)空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜應(yīng)用要求。因此,以控制器設(shè)計為核心的主動振動控制以其高度的有效性和適應(yīng)性成為空間結(jié)構(gòu)振動抑制的主要技術(shù)途徑。
然而,撓性大天線周期性構(gòu)型引起的低頻段模態(tài)密集問題,是掣肘主動振動控制在軌應(yīng)用的主要因素之一。包含密集模態(tài)的結(jié)構(gòu),稱為密頻結(jié)構(gòu)。對于模態(tài)密集程度的界定,目前主要有從頻率間隔角度出發(fā)的判斷準(zhǔn)則和從振型變化角度出發(fā)的振型靈敏度判別法,各類界定方法都是主要考慮密集模態(tài)所容易引發(fā)的問題,但是針對不同的應(yīng)用場合,例如模態(tài)辨識、結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和振動控制等。無論以何種方法界定模態(tài)密集程度,直觀上看,模態(tài)密集一定是在很窄的一段頻率間隔內(nèi)分布有很多固有頻率。結(jié)構(gòu)頻率密集給主動振動控制帶來許多困難,主要體現(xiàn)在:(1)密頻結(jié)構(gòu)的模態(tài)不穩(wěn)定特性引起模型不確知性,即微小的結(jié)構(gòu)參數(shù)攝動可能引起模態(tài)參數(shù)的巨大變化,因此設(shè)計控制器時必須充分考慮這種不確知性的影響;(2)由于傳感器和作動器數(shù)目有限,密頻結(jié)構(gòu)的低階控制中,控制方法必須處理密集模態(tài)低可控度與主動振動控制中作動能力有限之間的矛盾;(3)密集模態(tài)之間的強相互作用將加劇控制溢出和觀測溢出問題,必須從控制設(shè)計上探索對溢出問題魯棒性強的解決方案。
目前國內(nèi)外有針對性的研究還很有限,少數(shù)成果主要以帆板或臂桿為對象,僅限于考慮一對密集模態(tài)。實際上,大規(guī)模的拋物面天線或網(wǎng)狀天線通常包含一簇密集模態(tài),這些模態(tài)的頻率在低頻段連續(xù)分布。由于缺乏對密頻結(jié)構(gòu)有效的低階主動振動控制方法,導(dǎo)致需要大量的作動器,使得控制系統(tǒng)復(fù)雜、代價昂貴,甚至難以實現(xiàn)對這類結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的振動抑制。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種針對空間密頻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定自適應(yīng)模糊主動振動控制方法,能夠有效抑制密頻結(jié)構(gòu)振動,克服模態(tài)不穩(wěn)定特性和溢出問題影響,并利用模糊控制量的非線性組織能力節(jié)約控制能量;模糊規(guī)則基于解析表達,參數(shù)向量的自適應(yīng)律簡單易實現(xiàn);通過約束參數(shù)向量的界,間接限制控制量幅值,避免控制規(guī)則的過度修改造成不穩(wěn)定。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種針對空間密頻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定自適應(yīng)模糊主動振動控制方法,步驟如下:
(1)將結(jié)構(gòu)n階物理空間模型經(jīng)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化到獨立模態(tài)空間,獲得結(jié)構(gòu)n階獨立模態(tài)空間模型;
(2)對于上述步驟(1)建立的結(jié)構(gòu)n階獨立模態(tài)空間模型,采用模態(tài)截斷方法進行降階處理,獲得由m階主模態(tài)組成的低階獨立模態(tài)空間模型;
(3)對于上述步驟(2)獲得的結(jié)構(gòu)低階獨立模態(tài)空間模型,為每一階主模態(tài)設(shè)計獨立的模糊控制器,該模糊控制器的輸入變量為從物理坐標(biāo)的量測信息提取的主模態(tài)振動信息;
(4)對于上述步驟(3)中的模糊控制器,設(shè)置解析模糊規(guī)則數(shù)為M,則所述模糊控制器的輸出為M維模糊基函數(shù)向量和M維參數(shù)向量的點積,振動控制開始前對參數(shù)向量賦初值,同時引入投影算法設(shè)計解析模糊規(guī)則的參數(shù)向量自適應(yīng)律,使得振動控制過程中參數(shù)向量能夠根據(jù)控制效果自適應(yīng)修改,并約束參數(shù)向量的界,避免過度修改模糊規(guī)則而造成不穩(wěn)定;
(5)經(jīng)上述步驟(4)解算得到模糊控制器的輸出為獨立模態(tài)空間內(nèi)的各階模態(tài)控制量,將各階模態(tài)控制量綜合為總的模態(tài)控制量,總的模態(tài)控制量通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為物理坐標(biāo)空間的實際控制量。
所述步驟(3)中模糊控制器的輸入變量按如下過程求?。?/p>
設(shè)降階處理前模型階數(shù)為n,量測維度為no。設(shè)為速度量測輸出陣,對應(yīng)物理空間速度量測為位移量測輸出陣,對應(yīng)物理空間位移量測ηc(t)=[η1 η2 … ηm]T∈Rm×1為前m階主模態(tài)的模態(tài)位移,Φc為系統(tǒng)前m階主模態(tài)振型組成的n×m維矩陣。當(dāng)量測維度no等于主模態(tài)數(shù)m時,CdΦc和CrΦc均為方陣,如滿足CdΦc及CrΦc非奇異,則通過下式提取主模態(tài)信息
當(dāng)量測維度no與主模態(tài)數(shù)m不相等時,CdΦc及CrΦc非方陣,通過下式提取主模態(tài)信息
對獨立模態(tài)空間內(nèi)每一階主模態(tài)ηi,i=1,…,m,取模態(tài)位移誤差和模態(tài)速度誤差為
為中的第i階模態(tài)位移信息,ηti為第i階模態(tài)的理想模態(tài)位移;為中的第i階模態(tài)速度信息,為第i階模態(tài)的理想模態(tài)速度。ηti和在振動控制中一般均為零。
第i階模態(tài)對應(yīng)模糊控制器的輸入變量為
所述步驟(4)中模糊控制器的輸出為:
f(x|θ)=θTξ(x)
這里設(shè)置解析模糊規(guī)則數(shù)為M,x=[x1 x2]T為所述模糊控制器的輸入變量。模糊基函數(shù)向量ζ(x)=[ζ1,…,ζM]由模糊基函數(shù)ζk(x1,x2)組成,
其中和均為模糊基函數(shù)中隸屬度函數(shù)的實值參數(shù),用于設(shè)計隸屬度函數(shù)曲線。
為解析模糊規(guī)則的參數(shù)向量,振動控制開始前對參數(shù)向量賦初值,同時設(shè)計解析模糊規(guī)則的參數(shù)向量自適應(yīng)律如下:
對每一階主模態(tài)設(shè)計實值參數(shù)k1、k2,使得特征方程s2+k1s1+…+k2=0的特征根都位于復(fù)平面內(nèi)的左半開平面,這里s為拉氏算子。
令矩陣由于|sI-Λc|=s2+k1s+k2,可知Λc為穩(wěn)定矩陣。取Q∈R2×2為任意正定矩陣,根據(jù)Lyapunov方程
可解得唯一正定對稱矩陣P。
解析模糊規(guī)則的參數(shù)向量θ的自適應(yīng)律為
其中,γ為學(xué)習(xí)率,pf為矩陣P的最后一列。為保證控制過程中參數(shù)向量有界,引入自適應(yīng)控制中的投影算法,Pr[·]為投影算子,其定義為
其中|·|表示取向量的模。設(shè)計模糊規(guī)則參數(shù)向量的界θset,θset>0,則可在振動控制全過程確保模糊控制器的輸出有界,即-θset≤f(x|θ)≤θset。
所述步驟(5)中總的模態(tài)控制量為:
f=[f1,…,fm]T,其中m為主模態(tài)數(shù),fi為各主模態(tài)對應(yīng)模糊控制器的輸出,即各階模態(tài)控制量,i=1,…,m。將總的模態(tài)控制量通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為物理坐標(biāo)空間的實際控制量,過程如下:
設(shè)為控制輸入陣,其中n為降階處理前的原有模型階數(shù),nc為控制維度,Φc為系統(tǒng)前m階主模態(tài)振型組成的n×m維矩陣。當(dāng)控制維度nc等于主模態(tài)數(shù)m時,ΦcTB為方陣,如滿足ΦcTB非奇異,則將總的模態(tài)控制量f(t)轉(zhuǎn)化為實際控制量u(t)的方法為
u(t)=(ΦcTB)-1f(t)
當(dāng)控制維度nc與主模態(tài)數(shù)m不相等時,ΦcTB非方陣,則將總的模態(tài)控制量f(t)轉(zhuǎn)化為實際控制量u(t)的方法為
u(t)=(BTΦc)(ΦcTBBTΦc)-1f(t)
得到u(t)即為主動振動控制中物理坐標(biāo)空間的實際控制量。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
(1)本發(fā)明利用模糊理論不依賴于被控對象模型的特點,基于獨立模態(tài)空間為每一階主模態(tài)設(shè)計自適應(yīng)模糊控制器,相比于傳統(tǒng)控制方法,能有效優(yōu)化振動抑制效果,同時通過參數(shù)向量的自適應(yīng)律修改模糊規(guī)則,抵抗密頻結(jié)構(gòu)模型不確知性的影響,并確保對未建模動態(tài)產(chǎn)生的溢出問題具有足夠的魯棒性。
(2)模糊振動控制并非基于模糊語言規(guī)則,而是基于解析表達,不僅計算簡便直觀,而且為穩(wěn)定性和收斂性分析提供了條件;參數(shù)向量的自適應(yīng)律簡單可行、易于工程實現(xiàn),滿足空間密頻結(jié)構(gòu)振動控制的實時性要求。
(3)參數(shù)向量的自適應(yīng)律約束了參數(shù)向量的界,一方面避免模糊規(guī)則過度修改造成不穩(wěn)定,另一方面間接限制了控制量的幅值,避免了過大的控制量持續(xù)激勵剩余模態(tài)的振動。
(4)解析模糊規(guī)則實現(xiàn)了從輸入模態(tài)振動信息到輸出模態(tài)控制量的非線性映射,并通過參數(shù)向量自適應(yīng)律增加映射的靈活性,使得控制量調(diào)整更為精細,振動幅度大時能充分利用作動能力,振動抑制進入穩(wěn)態(tài)后能有效節(jié)約控制能量,很好地處理了密頻結(jié)構(gòu)低可控度與主動振動控制中作動能力有限之間的矛盾,具有工程實用價值。
附圖說明
圖1為本發(fā)明空間密頻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定自適應(yīng)模糊主動振動控制流程圖;
圖2為初始位移疊加持續(xù)激勵作用下的結(jié)構(gòu)自由響應(yīng)圖;
圖3為采用普通模糊控制器主動振動控制效果圖;
圖4為采用本發(fā)明自適應(yīng)模糊主動振動控制效果圖;
圖5為采用普通模糊控制器主動振動控制的穩(wěn)態(tài)效果圖;
圖6為采用本發(fā)明自適應(yīng)模糊主動振動控制的穩(wěn)態(tài)效果圖;
圖7為采用普通模糊控制器主動振動控制時所需的控制量;
圖8為采用本發(fā)明自適應(yīng)模糊主動振動控制時所需的控制量。
具體實施方式
本發(fā)明方法的具體實施過程如圖1所示。
在此設(shè)空間撓性結(jié)構(gòu)有限元模型整體自由度為n,其固有頻率在低頻段分布密集,為空間密頻結(jié)構(gòu)。本發(fā)明對該密頻結(jié)構(gòu)施加穩(wěn)定自適應(yīng)模糊主動振動控制,主要步驟如下:
(1)將結(jié)構(gòu)n階物理空間模型經(jīng)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化到獨立模態(tài)空間如下:
結(jié)構(gòu)n階物理空間模型可表示為
式中M∈Rn×n為質(zhì)量陣,C∈Rn×n為瑞利阻尼陣,K∈Rn×n為剛度陣,q(t)∈Rn×1為物理空間位移向量,簡稱物理位移;為控制輸入陣,為nc維控制輸入向量;為速度量測輸出陣,對應(yīng)no維物理空間速度量測為位移量測輸出陣,對應(yīng)no維物理空間位移量測總的量測輸出y(t)由yr和yd組成。令q(t)=Φη(t),η(t)∈Rn×1為模態(tài)空間位移向量,簡稱模態(tài)位移,Φ∈Rn×n是由歸一化的振型向量組成的振型矩陣,則Φ滿足
ΦTMΦ=I
ΦTCΦ=D=diag{2ξ1ω1,…,2ξnωn}
這里ωi和ξi,i=1,…,n,分別對應(yīng)第i階模態(tài)的固有頻率和模態(tài)阻尼比。將q(t)=Φη(t)代入結(jié)構(gòu)n階物理空間模型,則可得到由η(t)表示的結(jié)構(gòu)n階獨立模態(tài)空間模型
(2)對于上述步驟(1)建立的n階獨立模態(tài)空間模型,采用模態(tài)截斷方法進行降階處理如下:
根據(jù)結(jié)構(gòu)n階獨立模態(tài)空間模型中固有頻率分布情況,取前m階低頻模態(tài)作為主模態(tài),Φc為系統(tǒng)前m階主模態(tài)振型組成的n×m維矩陣,用Φc代替Φ,則近似有q(t)=Φcηc(t),其中ηc(t)∈Rm×1為前m階主模態(tài)的模態(tài)位移。將q(t)=Φcηc(t)代入結(jié)構(gòu)n階物理空間模型,即獲得由m階主模態(tài)組成的低階獨立模態(tài)空間模型
其中Dc=diag{2ξ1ω1,…,2ξmωm},
(3)對于上述步驟(2)獲得的結(jié)構(gòu)低階獨立模態(tài)空間模型,為每一階主模態(tài)設(shè)計獨立的基于解析形式的模糊控制器,該模糊控制器的輸入變量按如下過程求?。?/p>
首先從結(jié)構(gòu)物理坐標(biāo)q(t)中提取主模態(tài)坐標(biāo)。當(dāng)量測維度no等于主模態(tài)數(shù)m時,CdΦc和CrΦc均為方陣,如滿足CdΦc及CrΦc非奇異,則通過下式提取主模態(tài)信息
當(dāng)量測維度no與主模態(tài)數(shù)m不相等時,CdΦc及CrΦc非方陣,通過下式提取主模態(tài)信息
對獨立模態(tài)空間內(nèi)每一階主模態(tài)ηi,i=1,…,m,取模態(tài)位移誤差和模態(tài)速度誤差為
為中的第i階模態(tài)位移信息,ηti為第i階模態(tài)的理想模態(tài)位移;為中的第i階模態(tài)速度信息,為第i階模態(tài)的理想模態(tài)速度。ηti和在振動控制中一般均為零。
第i階模態(tài)對應(yīng)模糊控制器的輸入變量為
(4)對于上述步驟(3)中的模糊控制器,設(shè)置解析模糊規(guī)則數(shù)為M,根據(jù)步驟(3)知,輸入變量為x=[x1 x2]T∈R2,可按照如下邏輯設(shè)計模糊規(guī)則:
THEN yf is Bk
k=1,…,M
其中yf∈R為輸出變量,和Bk分別為輸入、輸出模糊集。令Bk為標(biāo)準(zhǔn)模糊集,其中心為則帶有乘積推理機、單點模糊器和中心平均解模糊器的模糊系統(tǒng)可寫作
式中,為xj對于模糊集合的隸屬度,f(x)是模糊系統(tǒng)的輸出。這樣即實現(xiàn)了由x∈R2到f(x)∈R的非線性映射,按照下式求解解模糊控制器的輸出:
f(x|θ)=θTξ(x)
其中,為解析模糊規(guī)則的參數(shù)向量,ζ(x)=[ζ1,…,ζM]由模糊基函數(shù)ζk(x1,x2)組成,模糊基函數(shù)基于隸屬度函數(shù),用于設(shè)計各項模糊規(guī)則的適用度。帶有乘積推理機、單點模糊器、中心平均解模糊器和高斯型隸屬度函數(shù)的模糊系統(tǒng)中,模糊基函數(shù)為
這里和均為模糊基函數(shù)中隸屬度函數(shù)的實值參數(shù),用于設(shè)計隸屬度函數(shù)曲線。
振動控制開始前對參數(shù)向量賦初值,同時設(shè)計解析模糊規(guī)則的參數(shù)向量自適應(yīng)律如下:
對每一階主模態(tài)設(shè)計實值參數(shù)k1、k2,使得特征方程s2+k1s1+…+k2=0的特征根都位于復(fù)平面內(nèi)的左半開平面,這里s為拉氏算子。
令矩陣由于|sI-Λc|=s2+k1s+k2,可知Λc為穩(wěn)定矩陣。取Q∈R2×2為任意正定矩陣,根據(jù)Lyapunov方程
可解得唯一正定對稱矩陣P。
解析模糊規(guī)則的參數(shù)向量θ的自適應(yīng)律為
其中,γ為學(xué)習(xí)率,pf為矩陣P的最后一列。為保證控制過程中參數(shù)向量有界,引入自適應(yīng)控制中的投影算法,Pr[·]為投影算子,其定義為
其中|·|表示取向量的模。設(shè)計模糊規(guī)則參數(shù)向量的界θset,θset>0,則可在振動控制全過程確保模糊控制器的輸出有界,即-θset≤f(x|θ)≤θset。
(5)經(jīng)上述步驟(4)解算得到模糊控制器的輸出為獨立模態(tài)空間內(nèi)的各階模態(tài)控制量,將各階模態(tài)控制量綜合為總的模態(tài)控制量,則總的模態(tài)控制量為f=[f1,…,fm]T,其中m為主模態(tài)數(shù),fi為各主模態(tài)對應(yīng)模糊控制器的輸出,即各階模態(tài)控制量,i=1,…,m。將總的模態(tài)控制量通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為物理坐標(biāo)空間的實際控制量,過程如下:
當(dāng)控制維度nc等于主模態(tài)數(shù)m時,ΦcTB為方陣,如滿足ΦcTB非奇異,則將總的模態(tài)控制量f(t)轉(zhuǎn)化為實際控制量u(t)的方法為
u(t)=(ΦcTB)-1f(t)
當(dāng)控制維度nc與主模態(tài)數(shù)m不相等時,ΦcTB非方陣,則將總的模態(tài)控制量f(t)轉(zhuǎn)化為實際控制量u(t)的方法為
u(t)=(BTΦc)(ΦcTBBTΦc)-1f(t)
這里u(t)即為主動振動控制中物理坐標(biāo)空間的實際控制量。
對包含密集模態(tài)的某空間密頻結(jié)構(gòu),采用4維控制和4維量測,設(shè)置初始振動位移和速度,并持續(xù)施加接近于基頻的激勵作用,圖2為該空間密頻結(jié)構(gòu)的自由響應(yīng)圖,可見無控制作用時,已充分激起各階模態(tài)的振動。
圖3為采用普通模糊控制器主動振動控制效果圖,圖4為采用本發(fā)明自適應(yīng)模糊主動振動控制效果圖,可見,相比于圖2中無控制作用下的自由響應(yīng),兩種模糊控制器均可有效抑制初始狀態(tài)和持續(xù)干擾作用下的結(jié)構(gòu)振動,比較圖3、圖4可見,本發(fā)明自適應(yīng)模糊主動振動控制由于存在參數(shù)向量的自適應(yīng)過程,因此相比于參數(shù)設(shè)定理想的普通模糊主動振動控制系統(tǒng)而言,初始階段過度過程稍長,但同樣可在短時內(nèi)有效抑制振動。
圖5為采用普通模糊控制器主動振動控制的穩(wěn)態(tài)效果圖,圖6為采用本發(fā)明自適應(yīng)模糊主動振動控制的穩(wěn)態(tài)效果圖,比較圖5、圖6可見,使用本發(fā)明自適應(yīng)模糊主動振動控制,相比于普通模糊主動振動控制,振動抑制效果能夠獲得較大提高。
圖7為采用普通模糊控制器主動振動控制時所需的控制量,圖8為采用本發(fā)明自適應(yīng)模糊主動振動控制時所需的控制量,比較圖7、圖8可見,使用本發(fā)明自適應(yīng)模糊主動振動控制,相比于普通模糊主動振動控制,所需控制量降低了一個數(shù)量級,因此可以有效地節(jié)省控制能量。
總之,本發(fā)明基于獨立模態(tài)空間為每一階主模態(tài)設(shè)計自適應(yīng)模糊控制器,最終將求得的模態(tài)控制量轉(zhuǎn)化為實際控制量。模糊規(guī)則基于解析表達,實現(xiàn)了從輸入振動信息到輸出控制量的非線性映射,計算簡便直觀,并引入投影算法設(shè)計解析模糊規(guī)則的參數(shù)向量自適應(yīng)律,提高對密頻結(jié)構(gòu)模型不確知性和溢出問題的魯棒性,相比于傳統(tǒng)控制方法,能有效提高振動抑制效果。同時,約束了參數(shù)向量的界,避免模糊規(guī)則過度修改造成不穩(wěn)定。此外,參數(shù)向量的自適應(yīng)律優(yōu)化了控制量的非線性組織能力,降低了對控制能量的需求,很好地處理了密頻結(jié)構(gòu)低可控度與主動振動控制中作動能力有限之間的矛盾,具有工程實用價值。
本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。