一种基于模糊自适应的速度反馈主动抑振方法

为了实现对受到时变气动载荷扰动下悬臂梁式支撑结构振动的有效抑制,建立了基于压电作动器的振动主动控制系统并进行了试验研究。首先,分析了风洞模型振动主动控制的原理,并提出了一种内嵌于支杆内部的压电陶瓷叠堆式作动器的减振器结构;进而,提出了结构振动状态的评价指标,结合模糊逻辑设计了一种自适应变增益速度反馈控制方法;最后,搭建了试验验证平台,对主动控制系统进行了试验,并将提出的模糊自适应控制方法与传统速度反馈的效果进行了对比。试验结果表明,该控制系统与方法具有较高的稳定性与效率,在激励试验中振动速度幅值小于未控制时的18.2%。该系统与控制方法对扰动具有自适应调节能力。     

基于视觉的风洞支杆主动抑振方法

为了实现风洞试验中悬臂式支杆振动的有效抑制,获取振动位移作为直接反馈信号,提出一种基于机器视觉的风洞支杆抑振方法。首先,结合FPGA图像处理和DMA数据传输技术,提出一种基于Otsu阈值分割的视觉振动实时测量方法;其次,将视觉系统获取的实时振动信息应用到反馈控制中,提出基于视觉的风洞模型支杆抑振方法;最后,搭建试验平台,完成了试验。试验结果表明,该控制系统能够发挥较好的抑振作用,在俯仰方向上,使用激振和锤击2种方式进行试验,系统阻尼比可由0.007 2提高至0.040 4,激振法抑振后剩余振幅比例约为12.73%。试验结果验证了该基于视觉的主动抑振系统具有可靠性和有效性。     

尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究

针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求,考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点,仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。首先,利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷（Pb-Zr-Ti,简称PZT）叠堆的输出位移,以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量,将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组,分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源,以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长;其次,借助有限元仿真分析软件,研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法,并实验验证该方法的可行性;然后,简化柔性铰链式位移放大机构,提出放大倍数的数值分析方法,对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析,并验证放大倍数的数值分析方法的准确性;最后,基于设计的线性作动器开展实验研究。结果表明：位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3,处于理论值与仿真值之间;在激励电压频率为5 Hz时,作动器的最大空载移动速度为413 μm/s;作动器的最大推动力为16 N,对应的驱动速度为19 μm/s。以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。     

变刚度支撑圆窗激振压电作动器优化设计

针对现有临床上所用的圆窗激振式人工中耳作动器存在和圆窗膜不匹配、初始压力无法监控的问题,结合人耳解剖结构,设计了一款变刚度支撑式压电作动器。首先建立作动器与人耳耦合模型;然后基于该模型对作动器位移放大器、支撑弹簧、压电叠堆的关键参数进行了优化分析;最终通过试验测试作动器输出性能。试验结果表明,所设计的压电作动器实现了初始压力的监控;且谐振频率高达5 160 Hz,高频特性优越。满足圆窗激振的需求,有利于补偿感音神经性患者的听力损伤。     

汽车发动机主动悬置模糊控制研究

压电陶瓷作动器作为一种主动作动器,运用到发动机悬置中具有重要的意义。从压电陶瓷作动器力学模型出发,运用实验对其特性进行了研究。同时建立了发动机五自由度主动悬置模型以及路面谱模型;分别设计了基于压电陶瓷主动悬置系统的模糊控制器和SIRMs模糊控制器,并利用Matlab/Simulink软件进行仿真研究。结果表明SIRMs模糊控制相对于传统模糊控制和被动悬置可以有效的减小发动机质心加速度,车身质心加速度以及悬置动行程,同时明显提高了汽车的乘坐舒适性。     

液压管路脉动主动控制的消振阀的设计

液压管路脉动主动控制方法由于其强自适应能力和较好的脉动削减效果而越来越受到重视,针对基于旁路溢流原理的脉动主动控制理论中对消振阀的性能要求,设计了锥阀结构的高频响压电直驱式节流阀,利用压电陶瓷的高频响、高输出力特性,并采用环形压电叠堆来优化阀的结构尺寸。建立了压电直驱式节流阀的数学模型,通过理论计算和仿真分析得到,该压电式节流阀从阀芯位移量、响应频率、流量特性角度都能满足脉动主动控制对消振阀的要求。     

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.     

垂尾抖振响应主模态控制的地面模型实验

根据飞机垂尾抖振响应的特点,提出飞机垂尾抖振响应主模态控制概念和方法,用于垂尾抖振响应压电主动控制系统设计.采用自主研制的弓形压电作动器,并用随机激励力模拟抖振载荷,进行了垂尾模型抖振控制地面实验.结果表明,采用抖振主模态控制方法,可使垂尾模型梢部抖振位移响应功率谱密度函数的第1阶模态峰值降低94％,第2,3阶模态峰值分别降低53％和85％；采用弓形压电作动器为控制执行元件可有效实施垂尾抖振响应主动控制.     

一种新型压电作动器及在结构振动主动控制中的应用

针对传统压电片作动器直接粘贴到被控结构表面时受到的各种限制,文中提出并设计制作一种新颖的弓型压电作动器.该作动器由一个弓型梁座和粘贴于其上的压电片构成,使用时将弓型梁座粘贴于被控结构上,压电片驱动弓型梁弯曲变形,进而对被控结构产生作动.随后将其应用在弹性梁振动主动控制中,以验证这种新型作动器的可行性和有效性.采用热弹性比拟方法建立带弓型压电作动器的悬臂梁振动主动控制系统的状态空间模型,采用LQR(linear-quadratic regulator)方法进行控制器设计.基于dSPACE硬件在线控制仿真系统,进行悬臂梁振动的主动控制实验,并对这种新型压电作动器与传统压电片作动器的振动控制效能进行实验对比.实验结果表明,这种弓型压电作动器具有良好的作动效能和安装方便灵活、可重复使用等优点.     

基于Stewart平台的星上微振动主动隔离/抑制

针对星上微振动主动隔离/抑制的要求,以VCM(voice coil motor)作动器Stewart平台为控制装置,通过对其动力学模型解耦将控制转化为SISO(single input single output)问题;分析了Skyhook控制方法的隔振效果及其对抑振的局限性,在控制系统中加入了PFF(positive force feedback)控制回路,并引入加速度反馈环节以提高系统的鲁棒稳定性,形成一种振动主动隔离/抑制控制方法;利用Stewart平台的单杆开展了基础扫频激励和负载单频直接干扰共同作用下的S-DOF(single degree of freedom)微振动主动隔离/抑振控制实验,建立了Stewart平台刚/柔混合动力学模型并通过仿真研究了6-DOF振动主动隔离/抑振控制效果。实验和仿真结果表明:该方法可实现良好的振动主动隔离/抑制效果且性能稳定。     

压电机敏结构嵌入式控制器的开发与验证

为探索压电主动机敏结构测控单元微型化及高速处理技术,设计开发了一种以ARM和DSP为核心的双核嵌入式控制器;阐述了系统构成与核心部件、系统软硬件设计思路、功能指标和开发过程;通过构建模型结构和试验平台,结合自适应滤波前馈振动控制算法,进行了压电机敏柔性结构振动主动控制试验。试验结果验证了所设计嵌入式控制器的可行性和有效性,并在压电机敏结构测控系统微型化方面获得有益结果。     

摩擦阻尼器对塔器风致振动的减振试验研究

横风向振动是引起高耸塔器破坏的原因之一。随着塔器高径比不断增加,高耸塔器防振技术成为近年来重要的研究方向,对塔器的安全运行具有重要意义。设计了一种摩擦阻尼器,以某化工塔为原型建立了小试试验模型。通过小试试验开展了摩擦阻尼器在风致振动下的塔器减振效果研究,并与限位支撑进行了对比分析。结果表明,平行于塔器振动方向的摩擦阻尼器对塔器减振起主要作用,为保证在任意方向的风载荷作用下均可达到减振的目的,应在摩擦阻尼器安装高度处的水平面互相垂直的两个方向上分别布置1~2组摩擦阻尼器。阻尼器与塔器连接处的间隙会减弱摩擦阻尼器的减振效果,因此,在实际工程中应尽量减小该处的间隙。摩擦阻尼器对塔器的减振效果明显优于在同一位置处设置限位支撑。在本文试验范围内,摩擦阻尼器最大可使塔器塔顶振幅降低23.44%。本文研究结果可为摩擦阻尼器在塔器减振工程中的应用提供参考。     

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。     

主被动约束层阻尼在结构振动控制中的应用与设计

导出了自感知主被动阻尼控制梁结构的振动控制方程。引入速度负反馈形成闭环控制,对被动控制和主被动控制的控制效果进行了分析比较。分析了粘弹层、压电层厚度和压电片位置等结构参数变化以及材料参数变化对控制效果及结构频率的影响。并分析了主被动阻尼控制结构的特点和设计中应注意的问题。     

Passive vibration damping enhancement of piezoelectric shunt damping system using optimization approach

Piezoelectric materials can be used for structural damping because of their ability to efficiently transform mechanical energy to electrical energy and vice versa. The electrical energy may be dissipated through a connected load resistance. In this paper, a new optimization technique for the optimal piezoelectric shunt damping system is investigated in order to search for the optimal shunt electrical components of the shunt damping circuit connected to the piezoelectric patch on a vibrating structure for the structural vibration suppression of several modes. The vibration suppression optimization technique is based on the idea of using the piezoelectric shunt damping system, the integrated p-version finite element method (p-version FEM), and the particle swarm optimization algorithm (PSOA). The optimal shunt electrical components for the piezoelectric shunt damping system are then determined by wholly minimizing the objective function, which is defined as the sum of the average vibration velocity over a frequency range of interest. Moreover, the optimization technique is performed by also taking into account the inherent mechanical damping of the controlled structure with the piezoelectric patch. To numerically evaluate the multiple-mode damping capability by the optimal shunting damper, an integrated p-version FEM for the beam with the shunt damping system is modeled and developed by MATLAB. Finally, the structural damping performance of the optimal shunt damping system is demonstrated numerically and experimentally with respect to the beam. The simulated result shows a good agreement with that of the experimental result. This paper was recommended for publication in revised form by Associate Editor Eung-Soo Shin Jin-Young Jeon received his Ph.D. degree in Mechanical and Aerospace Engineering from Tokyo Institute of Technology in 2005. Dr. Jeon is currently a senior engineer at Digital Printing Division, Digital Media & Communications Business at Samsung Electronics Co., Ltd., Korea. His research interests are the areas of structural-acoustic optimization, sound quality, motion quality, and vibration control.     

基于压电元件的振动主动控制

对配置压电元件作为传感器、驱动器,基于自适应滤波技术的柔性结构主动振动控制进行了实验研究。介绍了压电传感器、驱动器原理及其检测、驱动电路,阐述了自适应控制的基本原理,导出了控制算法,并介绍了控制系统构成,实验结果验证了本文所述方法的有效性。     

Modelling of viscoelastic damper support for reduction in low frequency residual vibration in machine tools

Residual vibrations deteriorate the accuracy and productivity of precision machine tools. Rocking vibration is excited by feed motion. Rocking vibration is the mode in which the entire machine vibrates and is the main source of residual vibrations at low frequencies. The characteristics of rocking vibration are influenced by the characteristics of the machine support structure. Thus, it is necessary to increase the damping of the machine support structure to reduce the residual vibrations caused by rocking vibration. In addition, it is important for machine tools to be stiff to reduce vibrations caused by the acceleration of feed drives. Conventional passive damper supports decrease the stiffness of a machine support structure while increasing the damping. Consequently, a passive viscoelastic damper system is developed to increase support damping without decreasing stiffness by focusing on the horizontal component of rocking vibration. However, the proposed damper damping capacity has a magnitude dependency. This makes it difficult to quantitatively determine the damper area in machine tools to reduce rocking vibrations to the required level. In this study, the developed damper is modeled using a viscoelastic four element model. Because of the nonlinearity of the model, an iterative time domain calculation method is introduced for the simulation. This method enables us to quantitatively estimate the effect of the damper on the machine tool. Based on the model proposed in this study, the proposed damper system can be applied to various machine tools to reduce the residual vibration without adjusting the damper area on the machine tool by a trial and error method.     

活塞式磁性液体减振器的阻尼分析和实验研究

根据磁性液体的磁粘特性,当磁性液体周围施加垂直于其涡旋矢量方向的磁场时,磁性液体的粘度增加,利用磁性液体作为减振器的阻尼液,通过改变磁场可以调节振动系统的阻尼比,从而达到减振的目的。根据这一特性,提出一种活塞式磁性液体减振器。根据磁性液体的流动方程和连续性方程,建立了减振器中磁性液体的动力学模型,并得到减振器阻尼力与振动速度之间的表达式以及减振系统的阻尼比。设计实验,将磁性液体减振器安装在悬臂梁自由端,利用线圈对减振器施加均匀磁场,研究不同线圈电流时磁性液体减振器对梁振动阻尼比的影响。实验表明,在所假设的条件下,实验结果与理论结果的一致性较好。同时得出,在一定范围内,活塞式磁性液体减振器的阻尼效果随着线圈电流的增大而增大。     

自耦合电流变阻尼器及其性能

电流变液与压电陶瓷组合的阻尼器是一种自耦合阻尼器。对直压式自耦合电流变阻尼器的性能进行了理论计算,并制作了直压式自耦合电流变液阻尼器。性能测试表明:压电陶瓷激励了电流变液;电流变液阻尼的变化改变了阻尼器的共振频率,并使振动幅度降低最高达30％。     

工业装配抗振外骨骼的动力学仿真及试验研究

针对手传振动问题，设计出一种上肢穿戴式工业装配抗振外骨骼作为干预装备。采用ADAMS建立了参数化的人机耦合仿真模型；为优化外骨骼减振单元结构参数，对外骨骼减振单元结构进行了单因素振动响应分析，发现减振器阻尼系数及安装位置是影响外骨骼减振性能的关键因素，剪式减振结构的前后弹簧刚度差异化取值时的效果更佳，通过交互正交试验得到修正的最佳因素水平组合。以接触压力和计权振动值为指标，通过抗振性能试验来评估外骨骼样机的减振性能，发现外骨骼在铆接期可减小约39.9%的接触压力，在间歇期接触压力减小49.4%,穿戴外骨骼可减小15.1%的日接振值，单日铆接效率最大可提高18%;接触压力和接振值的变化证明外骨骼具有减振及工具支撑功能。