面向壓電智能柔性減振結構的DSP核心測控系統(tǒng)開發(fā).pdf

1、智能結構是在結構中集成傳感器、控制器及作動器，其內涵是基于材料/結構的機敏特性和信息處理單元的緊密融合或集成，賦予結構健康自診斷、環(huán)境自適應及損傷自愈合等某些智能功能與生命特征，達到增強結構安全、減輕質量、降低能耗、提高性能總目標的一種仿生結構系統(tǒng)。其基本思想是：材料或結構能感知周圍環(huán)境的變化，并能針對這種變化做出適當?shù)姆磻?。智能結構的研究始于20世紀80年代，美國首先提出并開展此方面的研究，隨后世界其他發(fā)達國家和地區(qū)，如日本、英國、德

2、國、韓國、我國臺灣和香港地區(qū)等，都相繼開展智能材料與智能結構的研究。 主動減振智能結構作為智能材料結構研究主要方向之一，著重針對結構振動狀況進行自主感知與主動控制，通過將傳感器、驅動器和控制器有機地與基體結構集成在一起，通過適當?shù)目刂品椒ê涂刂撇呗?，控制輸出驅動器產生準確的動作以改變結構的特性與狀態(tài)，從而達到實現(xiàn)自適應結構振動控制的目的。智能傳感與智能致動材料是構成智能結構的關鍵技術之一，由于壓電材料具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、響

3、應頻帶寬的優(yōu)點，在智能結構中既可用作傳感器也可用作驅動器，從而實現(xiàn)了傳感元件與驅動元件的統(tǒng)一，因此在智能結構中運用比較廣泛。 本文以航天柔性結構如太陽能帆板為理想應用目標，基于壓電元件構建主動減振智能結構試驗對象，在融合控制理論與方法、計算機測控技術、結構振動理論和壓電材料學等相關方法技術的基礎上，著重以TMS320VC33數(shù)字信號處理器為硬件核心開發(fā)和構建試驗測控平臺，并輔助設計開發(fā)了用于驅動壓電作動器的高壓功率放大器，對面向

4、自適應控制策略的壓電智能柔性結構試驗模型，進行了振動主動控制的理論方法實踐和試驗驗證研究，不僅取得了良好的試驗效果，而且驗證了所開發(fā)構建測控系統(tǒng)的適應性。全文可概括為機敏材料特性與自適應控制方法分析、試驗平臺測控系統(tǒng)構建與開發(fā)、壓電驅動功率放大器設計與開發(fā)，以及試驗分析與驗證四個部分，所做的主要工作和貢獻如下： (1)分析了智能結構和壓電元件的基本原理和組成，并在與多種智能材料特性分析與比較的基礎上，探討了壓電智能結構實現(xiàn)結構主

5、動控制的優(yōu)越性。 (2)分析了結構振動主動控制的基本原理與策略，具體介紹了自適應濾波的原理，并在此基礎上引入了基于FIR和IIR濾波形式的多通道LMS算法，最后比較了這兩種算法的仿真結果，得出了有益的結論。 (3)以TMS320VC33DSP處理器為核心搭建智能結構振動主動控制的測控系統(tǒng)平臺，具體介紹了該測控系統(tǒng)的組成元件：壓電作動器和傳感器、電荷放大器、低通濾波器和高壓功率放大器等，并在最后簡要敘述了該測控系統(tǒng)控制器的

6、軟件和硬件系統(tǒng)開發(fā)思路和方法。 (4)開發(fā)了Visual C++軟件平臺的壓電智能結構振動響應自適應控制系統(tǒng)和面向TMS320VC33DSP的驅動程序以及基于自適應濾波的算法程序，詳細闡述了該控制系統(tǒng)的硬件組成原理及DSP處理器外圍硬件，并分別介紹了計算機上位機和DSP下位機程序的設計方法和思路。 (5)開發(fā)了適用于驅動壓電負載的新型高壓功率放大器，詳細分析了該功率放大器的幅頻和相頻特性以及各種涉及放大器穩(wěn)定性的電路設計方法，并

7、且測試了功率放大器的相關功能，驗證了儀器性能。 (6)采用自適應控制方法對壓電懸臂柔板進行了振動主動控制試驗，構建了結構振動控制的試驗平臺，并分別進行了單通道和多通道的結構振動響應試驗，取得了良好的試驗控制效果，進一步驗證所開發(fā)設計的測控系統(tǒng)與驅動單元的有效性。 謹致以誠摯的感謝和敬意，本文及所做的研究工作獲得了國家和上海市下述科研基金項目的資助： (1)國家自然科學基金重大研究計劃“空天飛行器若干重大基礎問題”