柔性结构的特征建模及主动控制方法研究(2)
1.1 柔性结构的介绍及相关问题
柔性结构是指其几何非线性因素在分析中影响较大而不可忽略的结构。随着航空航天事业的发展，其结构日趋于大型化和复杂化，许多航天器的结构，如太阳能电池帆板、航天器定向天线、航天器机械臂等大型挠性结构都属于柔性结构。柔性结构相比刚性结构具有许多优点，例如：材料使用更少、质量更小、操作更灵活、能耗更少、成本更低而有效载荷却更高。这些优点对于航天器的设计是重中之重。
由于柔性结构是非线性的，所以其对应的动力学方程也是非线性的[1]。这类结构在太空运行时，其特点是模态阻尼小、固有频率低切频率密集[2]。柔性臂由柔性关节和柔性臂杆两个柔性单元件构成。柔性部件在机械臂运动过程中会产生一定程度的扭曲、剪切、弹性等变形[3]，使得柔性机械臂成为一类刚柔耦合、非线性的无限文分布参数系统，所以相比刚性机械臂的动力学模型，柔性臂的动力学模型更为复杂[4]。
而且，这些柔性结构如果产生振动就很难消失甚至引发系统整体的共振，对于航天器的作业精度有很严重的影响，甚至导致整个系统的瘫痪[5]。因此，对于柔性臂振动的抑制，已成为目前控制工程界的一个研究的热点和难点。而智能结构控制技术作为近年来发展起来控制技术，为柔性结构振动的抑制提供了崭新的控制手段[9]。而本文则基于压电智能材料的柔性臂控制系统，对其特征建模和抑制振动的两种控制策略进行了深入研究。
1.2 目前对柔性结构的建模和控制方式
为了避免振荡，实现柔性结构的控制，我们必须对分析柔性结构的数序模型，找到其适合的控制方式，从而实现柔性结构的控制[10]。下文则描述了目前柔性结构的建模和控制方式。
1.2.1 柔性结构的建模
柔性结构的建模目前有以下3种方式：
(1)直接从柔性结构实际对象出发，建立其动力学模型再转化成适合计算机分析的数学模型进行分析[11]。
(2)在柔性结构动力学模型的基础上，采用所谓降阶模型逼近高阶模型的方法，得到其降阶的数学模型。
(3)通过分析其动力学模型，建立和原模型等效的特征模型。
以上三种方式即为目前较为常见的建模方式，其中方法一适用于对象不是那么复杂的建模。方法二适用于复杂系统，但由于其采用了降阶处理，其与原动力学模型的符合精度不会很高[12]。如果既要求模型准确，又要对复杂柔性结构建模，那么使用方法三则是一个很好的方式。
1.2.2 柔性结构的控制
对于柔性结构的控制，目前主要有两大类方式。分别为传统控制方式和智能主动控制方式[13]。
传统控制方式具有方法简单易行，系统成熟可靠等优点，对于不是很复杂的系统运用传统控制方式拥有巨大的优势。目前非常成熟的传统控制方式有 控制和LQR控制等。
但是传统的控制方式在面对一些参数未知和具有大不确定性大复杂系统的控制时，已不能很好的解决问题了[14]。
而近年来，随着工程控制理论的发展，很多新型的控制方法被提出。例如，模糊控制，自适应控制和神经网络模型控制和基于以上控制的人工智能控制。这类控制方式相比传统控制方式，系统设计更加复杂，适用于复杂系统的控制，属于智能主动控制。
智能主动控制相对于传统控制有着很多显著的区别。
首先，传统控制理论立足于精确的数学模型，而智能主动控制则不需要系统具有精确模型[15]。其次，智能主动控制不但可以实现传统控制的所由控制指标，同时在此基础上可以实现自适应等需求。最后，智能主动控制可以模拟人的学习、推理、决策的能力，一些特别的控制系统还具有故障处理和系统重构的功能，这是传统控制无法想象的。