● 摘要
为了减少有效载荷，降低昂贵的发射与运行成本，航天器上使用了许多轻质柔性结构。当其在几乎没有阻尼的太空环境中运行时，极易受到微粒子流、宇宙风等多种外力的碰撞和扰动，从而产生长时间的大幅振动。因此，对柔性结构，特别是大柔性结构实施振动主动控制的研究在航天器设计中具有重要的应用价值，并且热振动特性的试验与分析对于飞行器翼、舵等结构的振动主动控制研究具有重要意义。当前，智能结构振动主动控制领域的研究多见于理论推导和数值模拟。在实际部件上实现主动控制大多属于低阶简单结构，对于三阶及以上结构振动主动控制的成功实例几乎未见报导。本文对以压电陶瓷为作动器的柔性智能结构振动主动控制进行实验研究与数值仿真；并针对热环境下的单层翼面板结构的振动特性进行了实验研究与分析，取得了如下成果：1、建立了柔性智能结构振动主动控制实验系统，采用独立模态控制法成功实现了大柔性结构的振动主动控制。并首次根据劳斯判据证明，通过独立模态法利用少数作动器对高阶结构进行振动主动控制时，其控制溢出能被有效抑制，且按该方法设计的控制器求解方便，利于高速实时控制的实现。2、研制了具有良好动态频率特性的压电陶瓷驱动装置，该装置能够输出正、负对称波形的输出电压，以控制压电陶瓷驱动器按指令动作，完成对柔性结构的振动控制。3、研制了模态滤波器，成功地将传感器输出的各阶模态相互叠加的振动信号进行分离，提取出各自独立的单一模态，为采用独立模态法实现结构的振动主动控制提供了重要的前提条件。4、由于测量和控制量计算等多种环节都会引起信号延迟，对控制效果产生严重影响，甚至会出现激励现象使被控对象产生更大幅度的振动。因此，研制了移相控制器，用以调整输入计算机的信号相位，修正相位滞后，使系统能够获得最佳控制效果。5、建立了柔性梁结构受控时其横向振动的数值模型，通过Matlab软件对采用独立模态控制法进行大柔性梁振动主动控制的效果进行数值模拟。数值计算结果与实验结果基本吻合，验证了数值模拟方法的有效性。6、研制了高温环境下热振耦合试验频率测取装置，并使用高温气动热振实验模拟系统对高温环境下的单边局部固支单层翼面板结构振动特性进行实验研究。获得了翼面结构的固有频率等参数随温度的变化规律，为导弹翼舵结构采用大翼展小局部固支联接方式时的高温热模态分析提供了重要依据，并为进一步深入探索和进行理论分析提供了非常重要的试验数据，同时，为将来能够实现高温热环境下的振动主动控制打下了基础。