一种反射面天线撑腿瞬态风载荷振动控制方法

本发明属于结构振动控制，具体涉及一种反射面天线撑腿瞬态风载荷振动控制方法。

背景技术：

1、大型反射面天线广泛用于深空通信、遥感测绘和射电天文。反射面天线撑腿承担馈源及相关部件的支撑和定位功能，阵风和湍流扰动会激发撑腿的多阶耦合振动，使馈源偏离理想焦点并形成横向偏焦和轴向偏焦，进而引起方向图主瓣偏移、主瓣展宽、增益下降和波束指向误差。

2、现有撑腿振动控制通常采用经验布置的作动器、固定参数线性二次型调节器（linear quadratic regulator，lqr）控制器或全结构虚拟状态反馈。经验布置难以兼顾多阶模态可控性，固定控制权重难以适应瞬态风载荷强度变化，虚拟状态又难以由有限数量的实际传感器直接获得；低精度状态积分还会在瞬态响应计算中累积误差。

3、此外，现有方法多以结构位移降低作为单一控制目标，没有把撑腿位移、馈源偏焦和天线方向图指标纳入同一迭代链路，因而难以判断结构减振结果是否满足波束指向、增益及主瓣宽度要求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种反射面天线撑腿瞬态风载荷振动控制方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明提供了一种反射面天线撑腿瞬态风载荷振动控制方法，包括：

3、根据撑腿结构参数和物性参数提取模态矩阵并建立状态空间模型；

4、根据所述模态矩阵和所述状态空间模型确定目标作动器配置，并根据所述模态矩阵确定目标传感器配置；基于所述目标传感器配置、所述模态矩阵和所述状态空间模型构造反馈状态向量；

5、根据风场工况参数生成脉动风速时程，基于所述脉动风速时程确定瞬态风载荷时程；根据所述瞬态风载荷时程确定lqr控制权重，基于所述状态空间模型和所述lqr控制权重确定反馈控制增益；根据所述反馈控制增益和所述反馈状态向量确定作动器控制力，将所述作动器控制力施加至所述目标作动器配置的位置并更新系统状态，得到受控振动响应；

6、根据所述状态空间模型和所述瞬态风载荷时程确定无控振动响应和迭代终止条件；根据所述无控振动响应、所述受控振动响应和所述作动器控制力确定振动控制评价指标，并根据所述受控振动响应确定天线方向图评价指标；

7、在所述振动控制评价指标和所述天线方向图评价指标中任一项未满足所述迭代终止条件时，调整所述lqr控制权重并基于调整后的lqr控制权重更新所述反馈控制增益，并基于更新后的反馈控制增益重新确定所述振动控制评价指标和所述天线方向图评价指标，直至所述振动控制评价指标和所述天线方向图评价指标均满足所述迭代终止条件。

8、在本发明的一个实施例中，所述根据撑腿结构参数和物性参数提取模态矩阵并建立状态空间模型，包括：

9、根据所述撑腿结构参数和所述物性参数建立参数化模型，得到质量矩阵和刚度矩阵；

10、对所述参数化模型进行模态分析，得到前六阶固有频率和所述模态矩阵，根据所述前六阶固有频率确定阻尼矩阵；

11、根据所述质量矩阵、所述刚度矩阵、所述阻尼矩阵、所述模态矩阵和作动器参数，将物理坐标转换为模态坐标，得到所述状态空间模型。

12、在本发明的一个实施例中，所述根据所述模态矩阵和所述状态空间模型确定目标作动器配置，包括：

13、从所述状态空间模型中提取作动器输入矩阵，根据所述模态矩阵和所述作动器输入矩阵确定模态输入矩阵；

14、根据所述模态输入矩阵和候选自由度确定二范数可控性指标，按照所述二范数可控性指标筛选候选位置池，并从所述候选位置池中确定满足各阶模态可控性占比要求的候选作动器配置；

15、基于所述候选作动器配置，通过邻域约束粒子群算法，以提高综合可控性指标和降低作动器出力标准差为优化目标，确定所述目标作动器配置。

16、在本发明的一个实施例中，根据所述模态矩阵确定目标传感器配置，包括：

17、从撑腿候选自由度中筛除预设过滤方向的自由度，得到横向和轴向的候选传感器位置；

18、根据所述模态矩阵确定各所述候选传感器位置对应的模态输出向量，并根据所述模态输出向量、预设阻尼比和从所述状态空间模型提取的前六阶固有频率平均值，确定h2可观性指数；

19、根据可观性指数阈值筛选高可观性候选位置，并根据节点间距阈值对所述高可观性候选位置进行空间分布筛选，得到所述目标传感器配置。

20、在本发明的一个实施例中，所述基于所述目标传感器配置、所述模态矩阵和所述状态空间模型构造反馈状态向量，包括：

21、获取所述目标传感器配置中各传感器沿横向和轴向采集的所述传感器位移数据，根据所述模态矩阵构建传感器－模态映射矩阵；

22、通过所述传感器－模态映射矩阵的伪逆对所述传感器位移数据进行最小二乘拟合，得到前六阶模态位移；

23、根据所述状态空间模型和所述前六阶模态位移，通过卡尔曼滤波确定前六阶模态速度，并将所述前六阶模态位移和所述前六阶模态速度组合为所述反馈状态向量。

24、在本发明的一个实施例中，所述风场工况参数包括参考风速、摩擦速度系数和截止频率；所述根据风场工况参数生成脉动风速时程，基于所述脉动风速时程确定瞬态风载荷时程，包括：

25、根据所述参考风速、摩擦速度系数和截止频率，通过davenport风谱确定风速频谱；通过逆快速傅里叶变换，基于所述风速频谱和随机相位生成所述脉动风速时程；

26、将基础风速与所述脉动风速时程叠加得到实时风速，根据所述实时风速以及空气密度、风压系数和迎风面积确定各时刻的瞬态风载荷，得到所述瞬态风载荷时程。

27、在本发明的一个实施例中，所述根据所述瞬态风载荷时程确定lqr控制权重，基于所述状态空间模型和所述lqr控制权重确定反馈控制增益；根据所述反馈控制增益和所述反馈状态向量确定作动器控制力，将所述作动器控制力施加至所述目标作动器配置的位置并更新系统状态，得到受控振动响应，包括：

28、从所述瞬态风载荷时程提取实时风载荷强度，根据所述实时风载荷强度确定状态权重矩阵和控制力权重矩阵，根据所述状态权重矩阵和所述控制力权重矩阵确定所述lqr控制权重；

29、根据所述状态空间模型和所述lqr控制权重求解连续时间代数riccati方程，得到所述反馈控制增益；

30、根据所述反馈控制增益和所述反馈状态向量确定并限幅所述作动器控制力，将限幅后的所述作动器控制力施加至所述目标作动器配置的位置，通过四阶龙格－库塔积分更新所述系统状态，得到所述受控振动响应。

31、在本发明的一个实施例中，所述根据所述状态空间模型和所述瞬态风载荷时程确定无控振动响应和迭代终止条件，包括：

32、根据所述状态空间模型和所述瞬态风载荷时程，对未施加控制力的反射面天线撑腿进行数值仿真，提取预设结构表征节点的位移时程，得到所述无控振动响应；

33、基于所述无控振动响应分别确定振动抑制率、作动器出力标准差、天线方向图主瓣偏移和天线增益损失对应的预设性能目标；根据所述振动抑制率、作动器出力标准差、天线方向图主瓣偏移和天线增益损失对应的预设性能目标组成所述迭代终止条件。

34、在本发明的一个实施例中，所述根据所述无控振动响应、所述受控振动响应和所述作动器控制力确定振动控制评价指标，并根据所述受控振动响应确定天线方向图评价指标，包括：

35、根据所述预设结构表征节点在所述无控振动响应和所述受控振动响应中的位移确定平均振动抑制率，根据所述作动器控制力确定作动器出力标准差，得到所述振动控制评价指标；

36、从所述受控振动响应提取最大横向位移和最大轴向位移，得到馈源横向偏焦量和馈源轴向偏焦量；

37、根据所述馈源横向偏焦量和所述馈源轴向偏焦量确定横向偏焦方向图和轴向偏焦方向图，并根据所述横向偏焦方向图和所述轴向偏焦方向图中的主瓣偏移、天线增益损失和半功率波束宽度确定所述天线方向图评价指标。

38、在本发明的一个实施例中，所述在所述振动控制评价指标和所述天线方向图评价指标中任一项未满足所述迭代终止条件时，调整所述lqr控制权重并基于调整后的lqr控制权重更新所述反馈控制增益，并基于更新后的反馈控制增益重新确定所述振动控制评价指标和所述天线方向图评价指标，直至所述振动控制评价指标和所述天线方向图评价指标均满足所述迭代终止条件，包括：

39、在所述振动控制评价指标中的平均振动抑制率和作动器出力标准差、所述天线方向图评价指标中的主瓣偏移和天线增益损失中的任一项未满足所述迭代终止条件时，调整所述lqr控制权重的调谐参数，得到所述调整后的lqr控制权重；所述调谐参数包括状态权重基础值、控制力权重基础值、自适应放大系数或自适应削弱系数；

40、根据所述调整后的lqr控制权重更新所述反馈控制增益，基于更新后的反馈控制增益和所述反馈状态向量重新确定所述作动器控制力，并更新所述系统状态，得到更新后的受控振动响应；

41、根据所述无控振动响应、所述更新后的受控振动响应和重新确定的所述作动器控制力重新确定所述振动控制评价指标，并根据所述更新后的受控振动响应重新确定所述天线方向图评价指标；

42、在所述平均振动抑制率、所述作动器出力标准差、所述主瓣偏移和所述天线增益损失均满足所述迭代终止条件时，将所述目标作动器配置、所述目标传感器配置及当前的所述状态权重基础值、所述控制力权重基础值、所述自适应放大系数和所述自适应削弱系数确定为最优控制方案。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果：

44、本发明提供的反射面天线撑腿瞬态风载荷振动控制方法，通过根据撑腿结构参数和物性参数提取模态矩阵并建立状态空间模型，使作动器配置、传感器配置、反馈状态构造和系统状态更新采用同一动力学基础；通过根据模态矩阵和状态空间模型确定目标作动器配置，根据模态矩阵确定目标传感器配置，并基于目标传感器配置、模态矩阵和状态空间模型构造反馈状态向量，使控制力施加位置和位移反馈位置与模态可控性及可观性相匹配；通过根据风场工况参数生成脉动风速时程并确定瞬态风载荷时程，根据瞬态风载荷时程确定lqr控制权重，基于状态空间模型和lqr控制权重确定反馈控制增益，根据反馈控制增益和反馈状态向量确定作动器控制力并施加至目标作动器配置的位置，使控制器能够随瞬态风载荷变化更新出力并得到受控振动响应；通过根据状态空间模型和瞬态风载荷时程确定无控振动响应和迭代终止条件，根据无控振动响应、受控振动响应和作动器控制力确定振动控制评价指标，根据受控振动响应确定天线方向图评价指标，使结构减振结果同时接受振动控制评价和天线电性能评价；通过在振动控制评价指标和天线方向图评价指标中任一项未满足迭代终止条件时，调整lqr控制权重并基于调整后的lqr控制权重更新反馈控制增益，重新确定振动控制评价指标和天线方向图评价指标，使控制参数在同一闭环中迭代至满足迭代终止条件。最终，本发明能够在瞬态风载荷作用下兼顾反射面天线撑腿振动抑制、天线方向图改善及波束指向精度提升，提高反射面天线风扰环境下的服役可靠性。

45、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。