FXLMS算法用于压电柔性结构多通道振动控制_朱晓锦

第52卷第6期2020年11月力学学报Chinese Journal of Theoretical and Applied MechanicsVol.52,No.6Nov.,2020航天动力学与控制专题含间隙钱接的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制研究”孙杰“孙俊川2)刘付成朱东方“黄静“*(上海航天控制技术研究所，上海201109)土(上海市空间智能控制技术重点实验室，上海201109)摘要大型柔性航天器展开锁定后，运动副中仍存在大量无法消除的间隙.较链间隙直接影响柔性航天器的姿态运动和有效载荷的指向精度及稳定度，会对航天器的动力学特性造成较大的影响.针对这一问题，提出一种含间隙较接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法.首先建立含间隙的较链精确动力学模型，从而构建含间隙较接的柔性结构动力学模型.然后利用哈密顿原理和模态离散方法，建立含间隙较接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学模型，采用Newmark算法对非线性动力学方程进行求解.基于压电纤维复合材料(macrofiber composite,MFC)驱动器构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程，采用最优控制设计控制律.分析了较链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响，着重研究了较链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用.最后釆用MFC驱动器对航天器施加主动控制.结果表明，较链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率；随着较链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多，航天器的整体刚度逐渐减小，而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大；通过基于MFC的主动控制，能够实现含间隙较接航天器姿态运动与结构振动的协同控制，并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.关键词柔性航天器，较链间隙，刚柔耦合，压电纤维复合材料，振动控制中图分类号：V414.3,V44&2文献标识码：A doi：10.6052/0459-1879-20-109DYNAMICS AND CONTROL OF RIGID-FLEXIBLE COUPLING FLEXIBLESPACECRAFT WITH JOINT CLEARANCE】)Sun Jie*,+Sun Jun*'t,2)Liu Fucheng*,+Zhu Dongfang*,+Huang Jing*+*(Shanghai Aerospace Control Technology Institute■,Shanghai201109,China)'(Shanghai Key Laboratory of A erospace Intelligent Control Technology>Shanghai201109,China)Abstract There are still lots of joint clearances that cannot be eliminated for large-scale flexible spacecraft in post-lock phase.Joint clearance directly affects the attitude maneuver of the flexible spacecraft as well as the pointing accuracy and stability of the payload,which has a great influence on the dynamic characteristics of the spacecraft.Aiming at this issue, a dynamic modelling and control method for the rigid-什exible coupling spacecraft with joint clearance is proposed in this pape匚The accurate dynamic model of the joint with clearance is established firstly,thus the dynamic model of flexible structure with joint clearances is built.Then the discrete rigid-flexible coupling nonlinear dynamic model of the spacecraft2020-04-14收稿，2020-07-11录用，2020-07-17网络版发表.1)国家自然科学基金资助项目(11772185,61903245,61803258).2)孙俊，研究员，主要研究方向：航天器动力学与控E-mail:********************引用格式：孙杰，孙俊，刘付成，朱东方，黄静•含间隙较接的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制研究.力学学报，2020,52(6)：1569-1580 Sun Jie,Sun Jun,Liu Fucheng,Zhu Dongfang,Huang Jing.Dynamics and control of rigid-flexible coupling flexible spacecraft withjoint clearance.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2020,52(6)：1569-15801570力学学报2020年第52卷with clearances is obtained by Hamilton principle and modal discrete method.The Newmark algorithm is used to solve the nonlinear equation.Based on macro fiber composite(MFC)actuator,the rigid-flexible-electrical coupling dynamic equation of the spacecraft is obtained and the control law is designed by the optimum control.The influences of joint parameters,moment of inertia of central rigid body,clearance size and clearance number on the dynamic characteristics of the spacecraft are analyzed.The effects of joint clearance on the attitude maneuver and structural vibration of the spacecraft are emphatically studied.Finally,the active control is applied to the spacecraft using MFC actuator.The results reveal that the joint parameters and moment of inertia of the central rigid body affect the natural frequency of the spacecraft.With the increase of the size of joint clearance and number of clearances,the overall stiffness of the spacecraft decreases gradually,while the attitude angle and vibration displacement response of the spacecraft increase. Through the active control based on MFC,the cooperative control of the attitude maneuver and structural vibration of the spacecraft with clearance can be realized,and the effects of clearance on the dynamic characteristics of the spacecraft can be alleviated.Key words flexible spacecraft,joint clearance,rigid-flexible coupling,macro fiber composite,vibration control引言现代大型柔性航天器的可展开空间结构在发射前处于收缩状态，待航天器入轨后再展开，因此可展开结构中含有大量的较链.航天器的可展开桁架展开锁定成为支撑机构，其运动副中尚有无法完全消除的微小间隙，而众多间隙的累计贡献将对柔性航天器展开锁定后的动力学特性造成较大影响⑴.较链中难以避免的间隙会使整体结构呈现出复杂的动力学行为33］.虽然人们对于含间隙运动副的动力学建模已有很多研究，但针对含间隙运动副展开锁定后的空间结构非线性动力学研究却不多见⑷.当前在对柔性航天器刚柔耦合动力学的研究中，为了建模上的便利，通常都未计及较链间隙，常采用基于光滑动力学的建模方法［"J.但对于实际的大型柔性航天器，运动副间的间隙无法避免，间隙会使较链部件间产生强的非线性碰撞力，其对航天器动力学特性的影响不容忽视，而由较链间隙导致的非光滑振动比光滑动力学系统的振动更复杂⑺.目前关于运动副间隙的研究大都集中于含间隙较接的机构方面〔8-切.阎绍泽等【8］综述了计及间隙影响的运动副建模以及含间隙机械系统动力学的研究进展，详细探讨了含间隙系统动力学分析、运动精度评估以及运动副间隙设计等应该重点研究的若干关键技术问题.Cavalieri等【⑼提出一种新的建立含间隙的三维旋转较模型的单元，研究了含间隙且无摩擦的三维旋转较的非光滑多体动力学系统. Tian等⑴］综述了含间隙较链的多体动力系统运动学和动力学分析的解析、数值和实验方法，对不同方法的主要假设和结论进行了分析和比较.Wang等［伺采用改进的非线性接触力模型和修正的摩擦力模型，提出了一种研究含间隙旋转较的平面多体系统动力学响应的方法，并通过实验验证了数值方法的正确性.在含间隙较接结构研究方面，学者们也进行了大量的工作［20-33］.王魏等［20〕介绍了航天器较接结构的非线性动力学问题的研究思路、研究成果，总结了航天器较接结构非线性动力学研究的发展前景.袭安等［29］针对大型环形可展桁架天线结构间隙较链的动刚度问题，进行了理论与实验研究，建立了较链动刚度的模型，分析了外激励、较链间隙及较链振动幅值对动刚度系数的影响.Krysko等㈤】针对一种包含小间隙的双梁结构，采用一种方法检测混沌运动.使用欧拉-伯努利假设，基于Kantor模型描述梁与梁之间的相互接触作用.Jiang等⑶］研究了含间隙较接梁的非线性动力学特性，提出了一种新的等效含间隙较链模型，分析了较接梁的幅频特性，并研究了间隙对振动传递以及较间冲击力的影响.Hu等【33】针对间 隙非线性问题开展了多参数同步辨识算法研究.目前在考虑航天器较链间隙的刚柔耦合动力学建模分析方面，均是针对航天器可展机构的展开过程进行研究［34-36］.白争锋等［34］开展了含较间间隙的太阳帆板展开过程的动力学仿真，仿真结果对卫星姿态控制系统的设计和地面试验提供了参考和依据.然而关于航天器展开锁定后的动力学建模，尤其计及较链间隙对展开锁定后航天器柔性振动及姿态运第6期孙杰等：含间隙较接的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制研究1571动耦合作用影响的动力学建模与控制还鲜有研究.航天器的柔性振动、姿态运动和较链间隙之间存在相互耦合作用，机理比较复杂，是典型的非光滑动力学系统.尤其对于大尺度柔性航天器，众多间隙较链将直接影响航天器的姿态运动和有效载荷的指向精度及稳定度.因此无论从工程需要还是科学研究的角度，研究含间隙较链的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制都具有十分重要的意义.本文建立含间隙的较链动力学模型，从而构建含间隙较接的柔性组合结构的动力学模型，利用哈密顿原理，建立含间隙较链的航天器刚柔耦合非线性动力学模型，采用Newmark算法求解并分析含间隙较链航天器的耦合非线性动力学特性，并使用MFC驱动器对航天器施加主动控制，为深入研究含间隙较链的大尺度柔性航天器动力学与高精度高稳定性的指向控制提供理论参考.1含间隙钞接结构模型针对柔性航天器的可展结构在空间展开锁定后服役的动态特性，连接较链采用平面回转较链模型.由于可展结构展开锁定后的变形模式以弯曲为主，因此本文主要考虑回转较链侧向方向上的间隙.航天器的柔性体采用欧拉-伯努利梁进行建模.每个梁单元节点采用两个自由度，即平面内的挠度和转角自由度.由于欧拉梁的变形形式以弯曲为主，因此将较链简化为扭簧，如图1所示，。

第 36 卷第 5 期2023 年10 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol. 36 No. 5Oct. 2023多频未知时变扰动下的结构微振动鲁棒自适应控制方昱斌1，朱晓锦2，杨龙飞1，许志超1，田梦楚1，张小兵3（1.南京理工大学智能制造学院，江苏南京 210094； 2.上海大学机电工程及自动化学院，上海 200072；3.南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京 210094）摘要: 本文针对多频窄带未知和时变扰动，基于内模原理和Y⁃K参数化方法，提出一种反馈鲁棒自适应振动的主动控制算法。

该算法通过设计PID中央鲁棒控制器，有效解决了次级通道模型未知情况下的鲁棒控制器参数设计问题。

同时提出一种变步长最小均方（Variable Step Size Least Mean Square，VSSLMS）方法，可以在保证稳态误差的基础上大幅提升收敛速度，并通过系统辨识实验验证了所提VSSLMS方法相较于其他VSSLMS算法在收敛性能上的优越性。

通过结构微振动主动控制实时实验，对比验证了单独采用滤波x最小均方（Least Mean Square，LMS）自适应控制算法、基于LMS算法的鲁棒自适应控制算法和基于VSSLMS算法的鲁棒自适应控制算法的抑振效果。

实验结果表明，本文基于VSSLMS算法的鲁棒自适应控制算法在面向双频正弦窄带扰动以及其频谱、幅值突变情况时，都具有较好的收敛性和鲁棒性。

关键词:振动主动控制；Y⁃K参数化；变步长（VSS）； LMS算法；鲁棒自适应中图分类号: TB535；O327 文献标志码: A 文章编号: 1004-4523（2023）05-1309-09DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2023.05.015引言在高分遥感探测领域中，卫星结构微振动会引发空间相机产生视线抖动和像移，继而降低成像质量和分辨率，其影响不能忽视［1⁃2］。

基于多模态特征融合的井下人员不安全行为识别王宇1， 于春华2， 陈晓青1， 宋家威1（1. 辽宁科技大学 矿业工程学院，辽宁 鞍山　114051；2. 凌钢股份北票保国铁矿有限公司，辽宁 朝阳　122102）摘要：采用人工智能技术对井下人员的行为进行实时识别，对保证矿井安全生产具有重要意义。

针对基于RGB 模态的行为识别方法易受视频图像背景噪声影响、基于骨骼模态的行为识别方法缺乏人与物体的外观特征信息的问题，将2种方法进行融合，提出了一种基于多模态特征融合的井下人员不安全行为识别方法。

通过SlowOnly 网络对RGB 模态特征进行提取；使用YOLOX 与Lite−HRNet 网络获取骨骼模态数据，采用PoseC3D 网络对骨骼模态特征进行提取；对RGB 模态特征与骨骼模态特征进行早期融合与晚期融合，最后得到井下人员不安全行为识别结果。

在X−Sub 标准下的NTU60 RGB+D 公开数据集上的实验结果表明：在基于单一骨骼模态的行为识别模型中，PoseC3D 拥有比GCN （图卷积网络）类方法更高的识别准确率，达到93.1%；基于多模态特征融合的行为识别模型对比基于单一骨骼模态的识别模型拥有更高的识别准确率，达到95.4%。

在自制井下不安全行为数据集上的实验结果表明：基于多模态特征融合的行为识别模型在井下复杂环境下识别准确率仍最高，达到93.3%，对相似不安全行为与多人不安全行为均能准确识别。

关键词：智能矿山；行为识别；目标检测；姿态估计；多模态特征融合；RGB 模态；骨骼模态；YOLOX 中图分类号：TD67 文献标志码：ARecognition of unsafe behaviors of underground personnel based on multi modal feature fusionWANG Yu 1, YU Chunhua 2, CHEN Xiaoqing 1, SONG Jiawei 1(1. School of Mining Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China ；2. Lingang Group Beipiao Baoguo Iron Mining Co., Ltd., Chaoyang 122102, China)Abstract : The use of artificial intelligence technology for real-time recognition of underground personnel's behavior is of great significance for ensuring safe production in mines. The RGB modal based behavior recognition methods is susceptible to video image background noise. The bone modal based behavior recognition methods lacks visual feature information of humans and objects. In order to solve the above problems, a multi modal feature fusion based underground personnel unsafe behavior recognition method is proposed by combining the two methods. The SlowOnly network is used to extract RGB modal features. The YOLOX and Lite HRNet networks are used to obtain bone modal data. The PoseC3D network is used to extract bone modal features. The early and late fusion of RGB modal features and bone modal features are performed. The recognition results for unsafe behavior of underground personnel are finally obtained. The experimental results on the NTU60 RGB+D public dataset under the X-Sub standard show the following points. In the behavior recognition model based on a single bone modal, PoseC3D has a higher recognition accuracy than GCN (graph convolutional network)methods, reaching 93.1%. The behavior recognition model based on multimodal feature fusion has a higher收稿日期：2023-07-16；修回日期：2023-10-27；责任编辑：胡娴。

64自适应柔性暂堵原理是指暂堵球遇水后尾端分散展开，主要表现为绳结端膨胀，具有较好的扩展能力，其尾翼进入孔眼，在孔眼处进行展开，而另一端尾翼针对流量再补充不规则形状进行补充封堵，由此隔绝地层之间的影响。

自适应柔性暂堵技术多针对于致密砂岩气藏暂堵压裂，目前在国内中海油鄂尔多斯盆地临兴-神府区块直/定井、长庆页岩油水平井以及四川页岩气水平井都已经投入使用。

致密气藏开发过程中常采用树脂暂堵球来实现暂堵转向压裂，但是树脂暂堵球的暂堵效果往往不理想，这主要是因为射孔弹本身的射孔原理导致的，常规射孔弹的射孔炮眼不规则，规则的圆球无法封堵完整，封堵效果不明显；规则的炮眼在大量过砂后，炮眼也会有不规则的冲蚀，导致封堵效果不明显（见图1）。

图1 常规射孔弹射孔炮眼图针对上述问题，本文提出采用绳结暂堵剂的柔性封堵性能，便于实现炮眼不规则井的封隔暂堵转向压裂。

另外，在绳结的投放过程中，应控制好投放的速度，是因为同时投放时绳结团聚，相互影响造成绳结尾翼进入孔眼困难。

延长绳结的间隔投放时间，有助于绳结逐个封堵射孔孔眼，提高封堵成功率。

1 产品介绍及性能评价绳结暂堵材料的性能包括：较高的暂堵率（堵射孔孔眼），合适的承压能力（至少达到需要的压力），地层温度条件下的自溶解能力（水溶、油溶、气溶）和耐受性（耐酸、耐碱、耐盐），尺寸形状满足工艺技术要求（大、小、组合） ，对施工设备的适应性（加入方式、加入速度、浓度、设备的改造、注入流程），经济性（投入与产出）。

结合以上性能特点，主要比较表1中9种可降解材料，通过比较其拉伸强度、收缩率、吸水率、相对密度、弯曲强度、断裂伸长率、熔点、热变形温度，综合比较得出PGA可降解材料其拉伸强度高、断裂伸长率低、熔点高、热变形温度高等，但这并不代表PGA可降解材料可适用于压裂施工投球暂堵要求。

参考合金性能较纯金属更一种新型自适应柔性暂堵封隔压裂技术的应用朱碧波 张涛中联煤层气有限责任公司神府分公司 陕西 神木 719300摘要：本文提出一种新型自适应柔性暂堵封隔压裂技术的应用，通过优选产品材料，优化现场施工工艺，提高暂堵成功率，明显提升了压裂改造效果。

一种VSSFxLMS算法及其在多自由度微振动控制中的应用作者：方昱斌朱晓锦胡佳明高志远苗中华来源：《振动工程学报》2020年第03期摘要：FxLMS算法常用于自适应振动控制研究领域，其固定步长导致不能同时获得快的收敛速度和小的稳态误差。

针对多自由度压电结构振动主动控制，提出一种改进VSSFxLMS 振动控制算法，通过利用反余切函数的特性优化算法步长的迭代规律，有效提升算法对于噪声干扰的鲁棒性，并给出该算法的动态性能与稳态性能分析。

以压电结构微振动多通道控制为目标，在ADAMS软件中建立结构微振动主动控制仿真模型，通过与SIMULINK联合仿真观察振动控制算法实施效果。

构建了基于压电堆作动器的多自由度主动隔振结构，以及相关测控单元与实验系统，进行了结构微振动主动控制实验与结果分析，验证了所提出振动控制算法的良好控制效果和鲁棒性。

关键词：微振动主动控制;变步长（VSS）;LMS算法;多输入多输出（MIMO）;压电结构中图分类号：TB535;TH113.1文献标志码：A 文章编号：1004-4523（2020）03-0467-10DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2020.03.004引言近些年，航天事业及精密制造技术得到迅速发展，涉及到一些精密设备的微振动控制问题，引起了广泛关注。

例如卫星搭载的观测相机、精密制造中的投射电镜和扫描电镜、纳米研发装置等，其工作环境容许的振动速度低于10um/s，要想抑制这样水平的微振动，通常的被动隔振手段难以实现。

基于压电机敏器件的特性，配合先进的结构振动主动控制方法与快速提升的计算力，使得精密装置的结构微振动主动控制成为可能。

针对结构微振动主动控制问题，各研究团队设计出多种微振动模拟平台或者是微振动隔振平台，用于实验室中微振动环境的模拟及微振动主动控制系统的设计验证。

多数微振动隔振试验台都采用了Stewart结构，能够实现多个自由度上的微振动抑制，但是该结构的6个作动器之间具有较强的耦合，运动解耦比较复杂，导致控制系统的设计实施变得相对困难。