周期性机械振动主动控制算法

为提高周期性机械装置的隔振性能,减少其对底座(或地面)及周围环境的影响,采用由弹性橡胶和压电堆作动器组成的主动悬置(active control mount, ACM).针对压电堆作动器输出位移较小的情况,设计液压位移放大机构.通过对压电作动器和橡胶主簧性能的分析,建立由主动悬置构成的隔振系统的力学模型.周期性机械振动系统,其周期振动信号可用作控制同步信号,因此控制系统采用基于同步滤波-X LMS(least mean square)算法的自适应控制策略,传递到机座的残余力作为误差信号,实现对周期性机械振动系统的主动控制.计算机仿真实验结果表明,采用这种主动悬置和同步滤波-X LMS算法的主动控制系统,相对于采用普通橡胶悬置的被动系统,明显减少了对底座的力传递,减振效果明显.     

压电分流阻尼控制悬臂梁振动的参数优化分析

采用阻抗分析技术,根据压电材料的机电耦合特性和RLC电路的电学阻抗特性,详细推导了RLC串联压电分流阻尼系统的机械阻抗特性,研究了作单模态振动的悬臂梁在粘贴压电片后形成的压电悬臂梁系统的位移传递函数特性。借助于调谐质量阻尼减振理论,进行了压电分流阻尼系统的参数优化分析,并通过算例验证了参数优化前后压电分流阻尼系统对悬臂梁振动的被动控制效果。     

螺旋飞轮运动转换系统的机电比拟设计理论研究

在机械振动系统中采用螺旋飞轮运动转换系统,可以降低系统总质量,并获得良好的振动特性。为了推广螺旋飞轮的应用,降低集成设计的复杂性,通过对螺旋飞轮进行动力学分析,将其动力学特性进行封装。在传统力—电流机电比拟理论的基础上,提出一种新的无并联接地约束的电容元件来比拟螺旋飞轮,一方面解决了螺旋飞轮的比拟对象问题,另一方面完善了传统的机电比拟理论。应用电路网络的方法来研究机械振动网络的设计问题,给出基于螺旋飞轮机电比拟的机械振动系统的设计步骤。按照所提出的设计理论,在一个单自由度隔振系统实例中设计应用螺旋飞轮,实现传统振动元件无法实现的新型机械网络和隔振效果。结果表明所提出理论方法的有效性,为在机械振动系统中集成设计螺旋飞轮运动转换系统奠定了理论基础。     

基于能量法的双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数分析

针对双晶压电悬臂梁发电装置机电两类能量通过压电效应耦合强弱的问题,将能量法应用到双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数的分析中。开展了双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数的理论分析,并建立了其与双晶压电悬臂梁发电装置尺寸参数和材料特性之间的关系,对双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数与其尺寸参数和材料特性的关系模型进行了实验验证和数值模拟。研究结果表明,实验值与理论解有较好的一致性,且都在压电片厚度为0.25 mm时开路电压最大,验证了该理论模型的可靠性。此外,随着压电梁厚度比的不断增大,其机电耦合系数单调递增;同时,较大的弹性模量比有利于压电梁机电耦合系数的提高,且相对于钢弹性基片,铍青铜弹性基片更有利于压电梁机电耦合系数的提高。     

双向作动大行程二自由度稳像机构

针对光学稳像系统的双向动态大行程的设计要求,本文设计了一种可伸缩双向作动的压电作动器,并基于此压电作动器设计了二自由度稳像机构。压电作动器由一个收缩式三角位移放大机构和一个伸张式三角位移放大机构组成。位移放大机构可为压电平台提供足够的行程,柔性铰链可使平台结构更加紧凑。接着,利用有限元分析软件ANSYS对平台结构进行静力学仿真,模拟了平台的位移和应力变化。最后对原理样机进行了实验分析,实验结果显示所设计压电平台在低电压和低频率下有足够大的行程和足够快的响应速度,作动器在120V电压下的输出位移在67μm左右,基本满足稳像系统的性能要求,故平台结构的设计方案是可行的。     

微机电系统用压电驱动器的发展及应用

微驱动器是微机电系统运行的关键,压电驱动器作为新的驱动元件在这一领域迅速发展起来.它具有很高的位移分辨率以及抗干扰能力,并且控制方法简单.本文介绍了微机电系统、压电驱动器的概念,并对国外微机电系统中压电驱动器的发展及应用情况进行了详细、全面的介绍,同时指出了压电驱动器研究领域需深入探讨的关键技术.     

压电陶瓷驱动器建模与控制技术的研究

由于压电致动器(PA)具有高带宽、高纳米位移分辨率和零机械摩擦等优点,其广泛应用于微/纳米操作、微/纳米定位和光学系统。然而,压电致动器的迟滞非线性却严重影响了其跟踪定位精度,甚至引起闭环系统失稳。为了模拟具有不对称特性的压电致动器的滞后特性和频率相关性,使用广义Bouc-Wen模型来描述压电致动器的滞后性并对该模型进行了参数辨识。然后,使用基于该模型的线性化反馈滑模控制器来改善压电致动器的迟滞非线性,最后采用MATLAB对压电致动器的位移与速度进行跟踪控制仿真,并对其位移误差进行仿真,以验证该模型的有效性,其显著提高了压电致动器的位移控制精度,有效提高了系统的鲁棒性,进而可显著提高双光子聚合加工系统的定位精度。     

轴/径向耦合式非接触型压电作动器的研究

提出了一种基于近场声悬浮机理的球转子压电作动器,特别设计了可分别沿轴向和径向辐射超声近场的作动器,其目的是为了实现球转子的稳定、可控悬浮和高速旋转,可将其应用到航空航天的高速电机、球轴承传动或姿态传感领域。该新型压电作动器通过轴向与径向悬浮装置的不同耦合形式来提供超声悬浮力并以非接触的方式驱动球转子,实现对球转子的灵活控制。介绍了轴/径向耦合式非接触型压电作动器的结构和工作原理,通过仿真得到了悬浮装置的声场分布形式,深入分析和阐释了球转子的悬浮和驱动机制,加工了样机,搭建了轴/径向耦合式超声悬浮型压电作动器的特性测试系统,通过非接触式激光位移传感器得到了球转子的悬浮特性,并获得了691.5r/min的转速。     

固支简支压电梁振动及发电特性仿真与试验

为研究固支简支压电梁在简谐位移激励下的发电特性,根据连续系统振动理论建立压电梁的阻尼受迫振动微分方程,按第1类压电方程建立压电梁的机电能量转换数学模型。应用数值分析方法分析压电梁材料、尺寸参数和激励等因素对压电梁发电量的影响和变化规律。对压电梁的输出电压进行了试验研究,试验结果和仿真结果的误差小于8%。研究结果表明,压电梁的电能随梁长度的增加而减小,随梁宽度、压电片和基板厚度的增加而增大,压电片厚度的影响大于基板厚度的影响;压电梁的电能随位移激励幅值的增加以二次曲线形式增加;压电梁输出电压在1阶固有频率附近最大。     

方位俯仰型虚拟跟踪瞄准装置的机电动力学仿真

以方位俯仰型跟踪瞄准系统为研究对象,基于机电动力学的Lagrange-Maxwell方程,给出了非线性的双轴耦合机电动力学模型;并以某高功率微波天线为例,完成了基于PID控制算法的跟踪瞄准机电动力学仿真。仿真结果证实了方位俯仰跟瞄装置的机电动力学模型的合理性,并且为目标跟瞄系统的虚拟现实研究提供了理论依据。     

Vibration Control of a Composite Beam Using Self-sensing Semi-active Approach

Structural vibration control was an active research area for the past twenty years because of their potential applications in aerospace structures,civil structures,naval structures,etc.Semi-active vibration control methods based on piezoelectric actuators and synchronized switch damping on inductance(SSDI) techniques attract the attention of many researchers recently due to their advantages over passive and active methods.In the SSDI method,a switch shunt circuit is connected to the piezoelectric patch to shift the phase and amplify the magnitude of the voltage on the piezoelectric patch.The most important issue in SSDI method is to control the switching actions synchronously with the maximum vibration displacement or maximum strain.Hence,usually a displacement sensor is used to measure the vibration displacement or a collocated piezoelectric sensor is needed to measure the strain of the structure near the piezoelectric actuator.A self-sensing SSDI approach is proposed and applied to the vibration control of a composite beam,which avoids using a separate sensor.In the self-sensing technique,the same piezoelectric element functions as both a sensor and an actuator so that the total number of required piezoelectric elements can be reduced.One problem in the self-sensing actuator,which is the same as that in the traditional collocated piezoelectric sensors,is the noise generated in the sensor signal by the impact of voltage inversion,which may cause extra switching actions and deteriorate control performance.In order to prevent the shunt circuit from over-frequent on-and-off actions,a simple switch control algorithm is proposed.The results of control experiments show that the self-sensing SSDI approach combined with the improved switch control algorithm can effectively suppress over-frequent switching actions and gives good control performance by reducing the vibration amplitude by 45%,about 50% improvement from the traditional SSDI with a separate piezoelectric element and a classical switch.     

Investigating the thermal environment effects on geometrically nonlinear vibration of smart functionally graded plates

An analytical solution for a sandwich circular FGM plate coupled with piezoelectric layers under one-dimensional heat conduction is presented. All materials of the device may be of any functional gradients in the direction of thickness. The solution exactly satisfies all the equilibrium conditions and continuity conditions for the stress, displacement and electric displacement as well as electric potential on the interfaces between adjacency layers. A nonlinear static problem is solved first to determine the initial stress state and pre-vibration deformations of the FG plate that is subjected to in-plane forces and applied actuator voltage in thermal environment in the case of simply supported boundary conditions. By adding an incremental dynamic state to the pre-vibration state, the differential equations that govern the nonlinear vibration behavior of pre-stressed piezoelectric coupled FGM plates are derived. The role of thermal environment as well as control effects on nonlinear static deflections and natural frequencies imposed by the piezoelectric actuators using high input voltages are investigated. Numerical examples are provided and simulation results are discussed. Numerical results for FGM plates with a mixture of metal and ceramic are presented in dimensionless forms. The good agreement between the results of this paper and those of the finite element (FE) analyses validated the presented approach. In a parametric study the emphasis is placed on investigating the effect of varying the applied actuator voltage and thermal environment as well as gradient index of FG plate on the dynamics and control characteristics of the structure.     

基于速度-加速度时滞反馈的振动主动控制

在振动主动控制中,基于加速度测量信号,并考虑滤波器群时延引入的时滞,研究了一种时滞控制器设计方法。采用等维方法和状态导数反馈思想,提出一种速度-加速度时滞反馈控制器的设计方法。该控制器不含位移信号,可省去两次数值积分和去直流分量、趋势项这两个过程,并可避免由两次数值积分带来的累积误差。以粘帖有压电陶瓷和加速度传感器的智能梁为控制对象,采用该控制器控制其自由振动,并与速度-加速度反馈控制效果进行比较。仿真结果表明,当采用速度-加速度反馈直接控制时滞系统时,若时滞超出其稳定区间,该方法失效,而速度-加速度时滞反馈控制方法则具有良好的控制效果。     

基于参数优化的连铸结晶器振动位移系统 复合控制研究

本文以伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移控制系统为研究对象,针对系统工艺控制中要求伺服电机转速单方向、变 角速度转动,同时考虑系统控制器参数的选取大多依靠经验等问题,提出了一种基于前馈控制与参数优化的 PID 反馈控制相结 合的复合跟踪控制策略。 首先,根据伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统特性,建立了伺服电机输出转速与振动位移之间 的近似数学模型。 其次,针对伺服电机单方向转动工艺约束条件,确定结晶器振动位移系统以转速补偿作为前馈控制器,保证 系统控制器输出大于零. 再次,针对振动位移系统控制器参数大多依靠经验选取的问题,提出采用一种改进的飞蛾火焰优化算 法优化 PID 控制器参数的策略,以实现结晶器振动位移高精度跟踪控制。 最后,通过仿真与实验验证所提方法的有效性,实验 结果表明:优化后的振动位移调整时间缩短了 0. 3 s,振动位移跟踪相对误差减小了 1. 8% 。     

空间柔性结构振动控制用压电主动构件模型与实验研究

利用压电陶瓷的逆压电效应，研制了一种空间柔性结构振动主动控制用的新型压电智能主动构件，该构件具有重量轻、输出位移大、驱动电压低、稳定性高等优点。分析了压电主动构件建模方法中存在的问题，提出了一种修正的机电耦舍导纳模型，通过数值仿真验证了该模型的正确性。结合所研制的主动构件，对主动构件的动静态特性进行了实验研究与分析，揭示了压电主动构件用于空间柔性结构振动主动控制的优良性能。     

宏微直线压电电机微驱动机构设计与分析

为了解决宏微驱动直线压电电机微驱动位移较小、对宏动定位误差的补偿能力不足的问题,提出一种宏微驱动钹型直线压电电机。采用钹型复合压电叠堆为驱动单元替换压电陶瓷片组成的压电叠堆,实现轴向位移的一次放大,通过弹性拨齿的柔性铰链结构将钹型压电叠堆输出的微位移二次放大。该电机可在特定的驱动频率、工作电压和相位差下实现振子振动模态下的超声驱动,也可以通过微位移放大机构实现静态变形的微驱动(蠕动)。建立了该直线压电电机的三维有限元模型,利用有限元软件分别对弹性拨齿、钹型压电叠堆和复合振子进行静力学分析和静态优化设计。有限元仿真表明:基于柔性铰链结构的弹性拨齿经过优化后,最小刚度小于钹型压电叠堆的最小刚度;在相同条件下,优化后钹型压电叠堆沿轴向方向的静态变形量比由压电陶瓷片组成的压电叠堆的静态变形量提高了8.45倍;采用基于柔性铰链结构的弹性拨齿和钹型压电叠堆组成的复合振子的拨齿质点沿水平方向的静态位移量比优化前提高了12.1%,大幅提高了微驱动对宏动定位误差的补偿能力,为压电电机微驱动的结构设计及优化提供依据。     

压电陶瓷微夹钳迟滞环自适应逆控制研究

针对压电陶瓷的迟滞特性可使微夹钳难以获得良好的位移控制的问题，提出自适应逆控制策略。推导了压电悬臂位移特性的理论模型；采用自适应最小均方算法滤波器建立了压电悬臂的基于Backlash算子的迟滞环正逆模型，并以此为基础建立了微夹钳位移的自适应逆控制系统。样机测试和跟踪实验结果验证了所建立的理论模型和迟滞环模型的正确性，以及控制系统良好的自学习能力和控制效果。     

Analysis of nonlinear vibration response of a functionally graded truncated conical shell with piezoelectric layers

The nonlinear vibration response of a functionally graded materials (FGMs) truncated conical shell with piezoelectric layers is analyzed. The vibration amplitude is suppressed by the positive and inverse piezoelectric effects. And the bifurcation phenomenon is described to reveal the motion state of the conical shell. Firstly, a truncated conical shell composed of three layers is described. And the effective material properties of the FG layer are defined by the Voigt model and the power law distribution. Next, the electric potentials of piezoelectric layers are defined as cosine distribution along the thickness direction. Meanwhile, the constant gain negative velocity feedback algorithm is used to suppress the vibration amplitude by the electric potential produced by the sensor layer. Thereafter, considering the first-order shear deformation theory and the von Karman nonlinearity, the relationship between the strain and displacement is defined. And the corresponding energy of the conical shell is calculated. After that, the motion equations of the conical shell are derived based on the Hamilton principle. Again, the nonlinear single degree of freedom equation is derived by the Galerkin method and the static condensation method. In the end, the nonlinear vibration response of FGMs truncated conical shell with piezoelectric layers under the external excitation is analyzed via using the harmonic balance method and the Runge-Kutta method. The effects of various parameters, such as ceramic volume fraction exponent, external excitation’s amplitude, control gain and geometric parameters on the nonlinear vibration response of the system are evaluated by case studies. Results indicate that the control gain plays an important role on the suppression of the vibration amplitude. The ceramic volume fraction exponents are not sensitive to the nonlinear vibration response compared with other parameters. The bifurcation behavior is observed under different parameters. The FGMs truncated conical shell with piezoelectric layers has three types of motion state, such as periodic motion, multi-periodic motion, and chaos motion.

     

基于特征模型的压电悬臂板振动控制

航天器上悬臂板型挠性附件在扰动作用下将引起包括弯曲和扭转模态的振动,这将影响系统的稳定性和控制精度,尤其是在平衡点附近低频模态频率上的小幅值残余振动很难快速抑制。为了快速抑制压电智能挠性悬臂板系统,包括弯曲和扭转模态的振动,提出采用基于特征模型的非线性黄金分割自适应控制,组合非线性切换逻辑积分阻尼器算法。首先,优化配置压电传感器和驱动器实现了悬臂板的弯曲和扭转模态在检测和驱动上的解耦;其次,设计并建立压电挠性悬臂板试验平台,进行试验模态辨识并获得了悬臂板系统弯曲和扭转振动的模态频率和频响特性;最后,进行压电智能悬臂板的弯曲和扭转振动模态主动振动几种方法试验的比较研究。试验结果表明,采用的控制方法能够快速地抑制压电智能挠性悬臂板的振动。