《Aerospace Science and Technology》：Vibration suppression for membrane structures based on long short-term memory and soft actor-critic
編輯推薦：
薄膜天線結(jié)構(gòu)振動(dòng)抑制難題，本文提出LSAC方法，融合LSTM預(yù)測(cè)與SAC強(qiáng)化學(xué)習(xí)，創(chuàng)新引入智能自適應(yīng)tanh函數(shù)提升非線性建模和收斂速度，實(shí)驗(yàn)表明在無干擾、脈沖干擾和連續(xù)干擾下控制效率分別提升至92.47%、90.79%和89.72%，顯著增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。
賈崇杰|李團(tuán)杰|寧玉明|董航家|徐翔|彭文軒|謝超
中國(guó)陜西省西安市西電大學(xué)高性能電子設(shè)備機(jī)電一體化制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，郵編710071
摘要
在太空中運(yùn)行的薄膜天線結(jié)構(gòu)會(huì)受到復(fù)雜的環(huán)境干擾，這些干擾會(huì)放大結(jié)構(gòu)振動(dòng)，顯著增加振動(dòng)抑制的難度。傳統(tǒng)的振動(dòng)抑制方法往往難以應(yīng)對(duì)強(qiáng)非線性以及對(duì)外部干擾的有限魯棒性。為了克服這些限制，本文提出了一種基于預(yù)測(cè)的振動(dòng)抑制方法——LSAC，該方法結(jié)合了長(zhǎng)短期記憶（LSTM）網(wǎng)絡(luò)和軟演員-評(píng)論家（SAC）算法。LSTM模塊通過智能自適應(yīng)tanh函數(shù)（IATF）來預(yù)測(cè)未來的振動(dòng)狀態(tài)，從而加速收斂并提高非線性表示能力。強(qiáng)化學(xué)習(xí)代理利用當(dāng)前和預(yù)測(cè)的振動(dòng)信號(hào)生成實(shí)時(shí)抑制的最優(yōu)控制動(dòng)作。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，所提出的LSAC算法表現(xiàn)出優(yōu)異的魯棒性和非線性處理能力。在沒有干擾的情況下，它將控制效率從90.12%提高到92.47%；在受到?jīng)_擊干擾的情況下，效率從84.34%提高到90.79%；在持續(xù)干擾的情況下，效率從77.91%提高到89.72%。這項(xiàng)研究為航空航天領(lǐng)域的薄膜天線提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持，具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。
引言
薄膜結(jié)構(gòu)在各種工程領(lǐng)域中的應(yīng)用日益增多，例如天線反射器[1]、太陽能電池陣列[2]、合成孔徑雷達(dá)[3]和太陽能聚光器[4]。薄膜結(jié)構(gòu)通常具有厚度小、表面密度低、柔韌性高和局部剛度低的特性，因此容易產(chǎn)生難以消除的持續(xù)振動(dòng)[5]。這種振動(dòng)可能導(dǎo)致多種不良后果，包括薄膜天線的結(jié)構(gòu)損壞和電氣性能下降。例如，振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重干擾天線的電氣特性，導(dǎo)致地面接收信號(hào)的強(qiáng)度顯著降低[6]。因此，有效抑制薄膜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)對(duì)于提高通信穩(wěn)定性和延長(zhǎng)相關(guān)設(shè)備的使用壽命至關(guān)重要。
振動(dòng)抑制方法主要分為被動(dòng)抑制技術(shù)和主動(dòng)抑制技術(shù)。被動(dòng)抑制技術(shù)主要是通過在結(jié)構(gòu)中引入阻尼元件或修改結(jié)構(gòu)特性來減少振動(dòng)[7,8]。例如，張等人[9]采用了多自由度被動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。盡管方法簡(jiǎn)單，但被動(dòng)方法的性能固定且適應(yīng)性較差。與被動(dòng)抑制相比，主動(dòng)抑制技術(shù)具有更高的抑制效率和更廣泛的應(yīng)用范圍[[10], [11], [12], [13], [14]]。主動(dòng)抑制技術(shù)可以進(jìn)一步分為傳統(tǒng)主動(dòng)抑制和基于智能算法的主動(dòng)抑制。傳統(tǒng)主動(dòng)振動(dòng)抑制依賴于執(zhí)行器或控制系統(tǒng)來減輕振動(dòng)[15]。常見的執(zhí)行器包括壓電陶瓷和形狀記憶合金[16]。Ruggiero等人[17]提出在薄膜表面嵌入壓電陶瓷，并利用主動(dòng)反饋控制來消除振動(dòng)。Hiraku等人[18]通過將薄膜與主要干擾源隔離來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。Li等人[19]開發(fā)了一種主動(dòng)振動(dòng)抑制控制器來減輕柔性太陽能電池板中的彈性振動(dòng)。然而，傳統(tǒng)主動(dòng)方法往往對(duì)非線性振動(dòng)和突然的環(huán)境干擾適應(yīng)性較差�；谥悄芩惴ǖ闹鲃�(dòng)抑制作為一種有前景的替代方案出現(xiàn)，其適應(yīng)性更強(qiáng)，精度更高[20]。Rong等人[21]提出了一種用于四桿機(jī)構(gòu)模型振動(dòng)抑制的非線性模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。Zhou等人[22]開發(fā)了一種基于模糊邏輯控制的機(jī)器學(xué)習(xí)方法來調(diào)節(jié)汽車懸架系統(tǒng)的振動(dòng)。Qiu等人[23]設(shè)計(jì)了一種智能代理強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制器，用于雙壓電柔性梁耦合系統(tǒng)的主動(dòng)振動(dòng)抑制。
盡管基于智能算法的主動(dòng)抑制在處理強(qiáng)非線性振動(dòng)方面優(yōu)于傳統(tǒng)方法，但現(xiàn)有方法存在一個(gè)關(guān)鍵局限性：它們?cè)谧龀隹刂茮Q策時(shí)僅考慮當(dāng)前的振動(dòng)狀態(tài)[24]。這忽略了未來的振動(dòng)趨勢(shì)以及由突然的環(huán)境干擾引起的新的振動(dòng)。因此，現(xiàn)有方法在動(dòng)態(tài)和不確定的工作條件下表現(xiàn)出較差的振動(dòng)抑制能力和魯棒性，尤其是在薄膜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制方面。為了填補(bǔ)這一空白，迫切需要開發(fā)一種能夠整合當(dāng)前和未來振動(dòng)信息的振動(dòng)抑制方法，以提高控制效果和魯棒性。
本研究的主要挑戰(zhàn)在于兩個(gè)方面：首先，基于當(dāng)前振動(dòng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)薄膜結(jié)構(gòu)未來的振動(dòng)值，這需要一個(gè)具有強(qiáng)非線性擬合能力和快速收斂速度的預(yù)測(cè)模型；其次，將預(yù)測(cè)的未來振動(dòng)信息有效地與實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)整合到智能控制算法的決策過程中，確保控制策略能夠主動(dòng)應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的和即將出現(xiàn)的振動(dòng)干擾。
為了解決研究空白和挑戰(zhàn)，本文提出了以下關(guān)鍵貢獻(xiàn)：提出了一種名為L(zhǎng)SAC的新振動(dòng)抑制方法——結(jié)合了長(zhǎng)短期記憶（LSTM）和軟演員-評(píng)論家（SAC）的算法，將預(yù)測(cè)建模和強(qiáng)化學(xué)習(xí)相結(jié)合，以在控制決策中考慮當(dāng)前和未來的振動(dòng)狀態(tài)。在LSTM網(wǎng)絡(luò)中引入了一種新的自適應(yīng)激活函數(shù)，以提高其非線性表達(dá)能力和收斂速度，從而提高振動(dòng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。
本文的其余部分安排如下：第2節(jié)介紹了LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SAC強(qiáng)化學(xué)習(xí)的基本理論以及薄膜天線結(jié)構(gòu)。第3節(jié)詳細(xì)介紹了LSAC振動(dòng)抑制方法的設(shè)計(jì)，包括帶有自適應(yīng)激活函數(shù)的LSTM預(yù)測(cè)模型和基于SAC的控制決策框架。第4節(jié)展示了實(shí)驗(yàn)設(shè)置、結(jié)果和分析，以驗(yàn)證所提方法的有效性。第5節(jié)總結(jié)了主要結(jié)論，并討論了LSAC方法的性能優(yōu)勢(shì)和局限性。
部分摘錄
預(yù)測(cè)模型
預(yù)測(cè)模型是一種結(jié)合數(shù)據(jù)和算法的方法[[25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]]。其核心是從歷史數(shù)據(jù)中挖掘潛在的關(guān)系和模式，然后利用這些模式來預(yù)測(cè)未來的發(fā)展趨勢(shì)或結(jié)果[33]。由于薄膜天線結(jié)構(gòu)的非線性、高耦合度和復(fù)雜性，使用傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型難以準(zhǔn)確捕捉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為
方法概述
如圖2所示，LSAC方法主要分為兩部分：預(yù)測(cè)部分和決策部分。
第一部分
通過有限元分析獲得薄膜天線結(jié)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。訓(xùn)練集用于訓(xùn)練模型，驗(yàn)證集用于驗(yàn)證訓(xùn)練模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。預(yù)測(cè)模型的作用是根據(jù)
實(shí)驗(yàn)
本節(jié)首先描述了薄膜結(jié)構(gòu)的載荷、控制點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)。其次，通過將提出的IATF與傳統(tǒng)的激活函數(shù)和先進(jìn)的激活函數(shù)進(jìn)行比較，旨在揭示其創(chuàng)新點(diǎn)和潛在優(yōu)勢(shì)。隨后，在訓(xùn)練集和測(cè)試集上對(duì)帶有IATF的LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測(cè)試，以全面評(píng)估其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。比較不同的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)系數(shù)并選擇最佳
結(jié)論
通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，本文提出了薄膜振動(dòng)抑制問題的創(chuàng)新解決方案。首先，我們提出了LSAC算法，這是一種結(jié)合了預(yù)測(cè)建模和決策機(jī)制的新控制方法。在解決薄膜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)預(yù)測(cè)問題時(shí)，本文提出了一種新的IATF函數(shù)，以減輕由于高度非線性和強(qiáng)耦合性導(dǎo)致的低預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性
作者貢獻(xiàn)聲明
賈崇杰：撰寫——審稿與編輯、撰寫——初稿、可視化、軟件。李團(tuán)杰：資源獲取、資金籌措。寧玉明：撰寫——審稿與編輯。董航家：方法論、數(shù)據(jù)管理。徐翔：數(shù)據(jù)管理。彭文軒：概念化。謝超：數(shù)據(jù)管理。
作者貢獻(xiàn)聲明
賈崇杰：撰寫——審稿與編輯、撰寫——初稿、可視化、軟件。李團(tuán)杰：資源獲取、資金籌措。寧玉明：撰寫——審稿與編輯。董航家：方法論、數(shù)據(jù)管理。徐翔：數(shù)據(jù)管理。彭文軒：概念化。謝超：數(shù)據(jù)管理。
