压电柔性机械臂的实验辨识及最优极点配置抑振控制

研究了压电柔性臂系统的实验辨识和基于极点配置法的振动主动控制问题。针对粘贴应变传感器和压电致动器的压电柔性臂系统,提出了零点重新分布的理论传递函数模型。通过扫频实验采用频域辨识方法确立了从压电致动器控制电压输入到应变桥路电压输出的实验传递函数模型,辨识模型与实际结构响应吻合程度达94.8%。并通过多频激励实验证实了辨识模型与实际结构具有较高的一致性。利用辨识得到的传递函数模型建立了系统状态方程表达式,提出了一种移动距离最短、满足系统闭环阻尼要求的闭环极点位置确立方法。不同闭环极点下的数值仿真和实验结果均证明了采用的最优极点配置方法的有效性。实验结果表明,柔性臂在特定激励和外界干扰激励下产生的弹性振动均得到了有效抑制。所提出的模型辨识方法和极点配置策略是可行的。     

基于BP神经网络的压电智能结构振动系统辨识

针对神经网络在压电智能结构振动控制中的关键问题之一——系统模型的神经网络辨识,用引入时延的多层前馈BP神经网络串一并联型结构对表面粘贴压电片的柔性悬臂梁进行非线性动态系统模型辨识。考虑压电片对梁的质量和刚度矩阵的影响和实验提取数据的繁琐问题,用有限元分析软件ANSYS对智能梁进行模态和瞬态响应分析,利用获取的系统动力响应时间序列对神经网络进行离线训练,通过MATLAB神经网络工具箱对算例进行仿真显示。     

Study and verification of an online secondary path identification algorithm for adaptive filtering based control of structural vibration

针对基于自适应滤波的振动控制算法的误差通道辨识问题,提出一种在实施该控制算法中进行误差通道模型实时在线辨识的方法.其基本思想是在振动主动控制器输出端引入一个白噪声信号,采用有限脉冲响应滤波器作为误差通道模型进行实时在线辨识,利用性能判别器实时控制辨识环节的停止与否,同时振动主动控制采用滤波-X算法.给出了具有在线辨识功能的控制器结构与算法过程,并结合实验模型结构和测控平台进行了实验分析与验证.基于MATLAB进行相关算法仿真,分析引入白噪声信号对辨识模型误差的影响,提出了一种辨识模型误差判定准则,并分析对振动控制系统性能的影响;基于实验平台进行了压电机敏柔性结构振动主动控制的验证.实验结果表明,控制通道模型实时在线辨识策略是成功的,由此验证了所设计的控制器及其控制算法的可行性和有效性.     

压电智能悬臂梁神经网络预测控制

对表面粘贴压电元件的压电智能悬臂梁进行有限元建模和分析,获取了结构的动力响应数据。根据神经网络的非线性逼近能力,用动态递归神经网络对压电振动系统进行了系统辨识,建立了系统的预测模型。以此预测模型来代替传统广义预测控制算法中的受控自回归积分滑动平均模型,对压电智能悬臂梁进行振动主动控制的研究,并优化了控制系统参数。对一单输入单输出压电智能悬臂梁系统进行了仿真分析,控制效果良好,为智能算法在智能结构中应用有一定的指导意义。     

压电智能悬臂梁模糊振动抑制研究

为了实现对压电智能结构此类复杂机电耦合系统的主动振动控制仿真,建立了智能结构的机电耦合动力学有限元模型,并推导和简化了模型的动力学方程与压电传感方程,建立了系统的状态空间模型,设计了模糊逻辑控制器。基于模糊逻辑理论,划分了两种不同级别的模糊集合,确定了模糊集合语言变量值,设计了4种不同的模糊控制规则,并采用重心法作为逆模糊化方法。分别模拟了智能结构的自由振动、在脉冲干扰下的振动以及在谐波干扰下的振动,比较了模糊控制器、PID控制器、LQR控制器在3种不同类型的振动方式下对智能结构的振动控制效果。     

子空间预测控制算法在主动噪声振动中的应用

为解决主动噪声和振动控制中的执行器饱和约束条件问题,本文在子空间系统辨识的基础上,研究了一种新颖的子空间预测控制方法。该控制方法联合了系统辨识和控制器设计,直接由输入-输出数据得到将来时刻的输出预测值,自动校正系统中的参数,克服了传统的模型预测控制中繁琐的系统辨识环节。同时子空间预测控制允许执行器机构出现饱和现象,在考虑由饱和现象导致的约束条件时,利用线性矩阵不等式将约束优化问题转化为无约束优化问题。采用椭球优化算法迭代地产生一系列体积逐渐减小的椭球序列,该序列最终能收敛到一个最优解。在椭球算法的基础上推导了该算法达到收敛时所需要迭代次数的一个上界。这在智能优化算法中是很难求得到的。最后以直升机悬停状态时发生的颤振为例,利用本文中的子空间预测控制和椭球优化算法设计闭环系统的反馈控制器,验证闭环系统的输出响应能较好地跟踪期望值,从而得出本文方法的有效性。     

时滞加速度反馈的振动主动控制方法研究

在采用加速度传感器的振动主动控制中,为了克服加速度信号经数值积分分别得到位移信号和速度信号时的累积误差,并考虑系统中的输入时滞,基于等维法(Reduction Method)和输出状态导数反馈思想,提出一种连续时滞加速度反馈控制器设计方法。为了在实际测控系统中便于计算机操作,应用积分离散化方法,将该连续控制器转换为离散形式。以粘贴有压电陶瓷和加速度传感器的智能梁为仿真控制对象,采用该控制器控制含输入时滞的智能梁的自由振动系统,并与加速度反馈控制器控制的同一时滞系统的稳定性及控制效果作对比。仿真结果表明,所提时滞加速度反馈控制器具有较宽的参数稳定区间和较好的控制效果,且当系统时滞存在较小扰动时,该控制器对时滞量具有一定的鲁棒性。     

数字前馈跟踪控制器的频域迭代设计方法

 数字前馈控制器用于提高伺服系统跟踪性能,在工程应用中通常包含如下设计环节：闭环对象参数辨识、闭环离散化和设计前馈控制器,上述各环节都会引入设计误差,最终导致所设计的前馈控制器跟踪性能变差.针对上述问题,利用闭环对象的实测频率特性数据,提出一种新型的频域迭代设计方法,能有效消除各环节误差.通过对设计过程的频率特性差值的变化分析,给出了迭代算法的步骤.该方法将反馈控制思想引入前馈控制器设计过程,根据频率特性差值,不断修正对象频率特性数据,通过设计过程的迭代,使跟踪误差显著减小.以某飞行转台伺服系统为例,进行数值仿真和应用研究,结果表明了该方法的有效性,能显著拓宽伺服系统的跟踪频带,减小对低频信号的跟踪误差．     

高线性度的二维无耦合纳米压电位移系统设计

设计了一套具有高线性度的二维无耦合纳米压电位移系统。提出了一种多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制方案,设计采用基于非线性反馈控制和相似控制相结合的具有接地配置功能的压电控制器。控制器中引入了T型电阻网络,使电容较小的压电致动器能够进行低频线性操作。并对压电陶瓷驱动的位移平台进行了机械结构设计,平台采用嵌套式串联结构来避免耦合位移。通过解析法和ANSYS Workbench有限元仿真两方面对位移平台进行了刚度及位移分析。搭建了一套干涉位移测量系统,对压电位移台的位移、耦合误差及线性度进行了验证测试。实验结果表明:系统满行程内二维位移台的耦合误差最大仅为0.098%,可以将迟滞不对称引起的剩余轨迹偏差减小到0.79%,两个压电陶瓷间的最大轨迹偏差仅为行程范围的0.23%,理论分析和实验验证了所设计多压电电荷控制器的可行性,且系统可有效抑制耦合位移并使定位精度得到明显提高。     

智能板动荷载监测的压电单元模态法

基于对智能层合板结构的模态分析,提出由结构的压电模态响应反演瞬态荷载时间历程的有限元方法。介绍了压电模态传感器的实现原理,并给出了由实测压电单元输出得到结构模态响应的计算公式。采用无条件稳定的精细逐步积分法求解结构的模态动力学微分方程,构造了通过结构的模态响应反求荷载列阵的迭代算法。该方法作为动态激励的压电模态响应易于实时监测,迭代过程简单可靠、计算速度快、识别精度较高,适用于任意形状和边界条件的复杂型智能结构。实例表明了该方法的可行性。     

基于LQG/LTR的磁流变阻尼器半主动控制律

针对由LQG(LinearQuadraticGaussian)控制器设计的MR阻尼器半主动控制律鲁棒性差的问题,采用LQG/LTR(LinearQuadraticGaussian/LoopTransferRecovery)方法,使LQG闭环系统控制力返回比尽量逼近对应的LQR(LinearQuadraticRegulator)闭环系统的控制力返回比,得到具有改善鲁棒性的LQG控制器,然后按照某种规则设计磁流变(Magnetorheological:MR)阻尼器半主动控制律。最后对三层被控框架结构进行地震响应分析,数值结果表明由LQG/LTR得到的半主动控制律控制性能相比于由LQG得到的半主动控制律具有较好的鲁棒性和稳定性,并达到了LQR半主动控制律的控制水平。     

Multiscale modeling of intergranular fracture in aluminum: constitutive relation for interface debonding

Intergranular fracture is a dominant mode of failure in ultrafine grained materials. In the present study, the atomistic mechanisms of grain-boundary debonding during intergranular fracture in aluminum are modeled using a coupled molecular dynamics—finite element simulation. Using a statistical mechanics approach, a cohesive-zone law in the form of a traction–displacement constitutive relationship, characterizing the load transfer across the plane of a growing edge crack, is extracted from atomistic simulations and then recast in a form suitable for inclusion within a continuum finite element model. The cohesive-zone law derived by the presented technique is free of finite size effects and is statistically representative for describing the interfacial debonding of a grain boundary (GB) interface examined at atomic length scales. By incorporating the cohesive-zone law in cohesive-zone finite elements, the debonding of a GB interface can be simulated in a coupled continuum–atomistic model, in which a crack starts in the continuum environment, smoothly penetrates the continuum–atomistic interface, and continues its propagation in the atomistic environment. This study is a step toward relating atomistically derived decohesion laws to macroscopic predictions of fracture and constructing multiscale models for nanocrystalline and ultrafine grained materials.     

压电功能梯度层合梁的力-电-热耦合梁单元及最优振动控制

给出了一个压电功能梯度层合梁振动分析的两节点力-电-热耦合梁单元,并将其用于功能梯度层合梁的振动最优控制。在这个多场耦合梁单元中,功能梯度材料的等效力学性能用Voigt或Mori-Tanaka模型表征;梁的位移场用Shi改进的三阶剪切变形板理论描述;压电层的电势场用Layer-wise理论分层表征,且呈高阶非线性电势场的压电层可离散成数个子层。用Hamilton原理推导了压电功能梯度梁的力-电-热耦合单元列式,用拟协调元法给出了多场耦合梁单元的高计算效率的显式单元刚度矩阵,以及采用线性二次型(LQR)最优控制算法进行压电功能梯度层合梁的最优振动控制。使用所得力-电-热耦合梁单元进行了压电功能梯度层合梁的静力和动力分析。数值算例表明,所得力-电-热耦合梁单元可靠、准确和高效,LQR最优控制算法得到最优控制电压可有效抑制功能梯度梁的振动且实现控制系统能量的优化。     

A FEM model for the active control of curved FGM shells using piezoelectric sensor/actuator layers

In this paper, a generic finite element formulation is developed for the static and dynamic control of FGM (functionally graded material) shells with piezoelectric sensor and actuator layers. The properties of the FGM shell are graded in the thickness direction according to a volume fraction power‐law distribution. The proposed finite element model is based on variational principle and linear piezoelectricity theory. A constant displacement and velocity feedback control algorithm coupling the direct and inverse piezoelectric effects is applied in a closed‐loop system to provide feedback control of the integrated FGM shell structure. Both static and dynamic control of FGM shells are simulated to demonstrate the effectiveness of the proposed active control scheme within a framework of finite element discretization and piezoelectric integration. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

Finite element formulation for anisotropic coupled piezoelectro‐hygro‐thermo‐viscoelasto‐dynamic problems

A finite element algorithm has been developed for the efficient analysis of smart composite structures with piezoelectric polymer sensors or/and actuators based on piezoelectro‐hygro‐thermo‐viscoelasticity. Variational principles for anisotropic coupled piezoelectro‐hygro‐thermo‐viscoelasto‐dynamic problems have also been proposed in this study. As illustrative studies, dynamic responses in laminated composite beams and plates with PVDF sensors and actuators are obtained as functions of time using the present finite element procedures. The voltage feedback control scheme is utilized. The proposed numerical method can be used for analysing problems in the design of smart structures as well as smart sensors and actuators. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

斜拉索MR阻尼器减振自适应控制理论研究

该文提出了基于位移反馈的MR阻尼器对拉索振动的自适应控制算法。采用非线性有限元数值仿真方法分析了在外加简谐激励强迫振动条件下MR阻尼器对拉索自适应半主动控制的效果。将半主动控制效果与MR阻尼器、粘性油阻尼器分别对拉索实施最优被动控制的效果进行了比较。研究结果表明：在相同的外激励条件下,自适应控制算法参数的最终优化值不受...     

考虑作动器联接方式的结构形状控制优化

以压电材料梁式作动器控制复合材料层合板形状的设计问题为对象,研究有限个独立控制参数条件下的形状最优控制问题。研究了作动器与信号发生器(独立控制参数)联接关系的参数化描述方式,建立了作动器联接方式与控制参数协同设计的问题提法;针对优化问题中离散变量(联接方式描述参数)和连续变量(控制参数)共存的特点,建立了遗传算法和线性最小二乘(Linear Least Square,LLS)方法相结合的求解策略和方法;在响应分析所采用的有限元模型中,采用粘结层单元描述本体结构与作动器之间的连接。复合材料层合板形状控制设计的实例,验证了该文中建立的问题提法、优化模型和求解策略的有效性。     

磷酸二氢钾(KDP)晶体纳米压痕过程的有限元分析

为了求得KDP晶体的应力-应变曲线以及材料的屈服应力,基于圣维南定理和实验得到的材料性能参数建立了KDP晶体的压痕过程仿真模型,利用ABAQUS有限元分析软件对KDP晶体压痕过程进行了有限元仿真,得到了KDP晶体的载荷-位移曲线和加/卸载过程中的等效应力变化规律.仿真结果表明:加载过程中最大应力集中在压头尖角处,卸载后最大应力分布在压头棱边所留下的压痕处,KDP晶体材料的屈服应力为120MPa.     

Intelligent design of cutting tools using smart material

Shaving metal from a workpiece to produce desired geometric shape is carried out in turning machine tool. Attenuating a micro level vibration of a cutting tool using smart materials can save old machines and enhance flexibility in designing new generations of machine tools. The finite element method is employed to investigate structural stiffness, damping, and switching methodology using smart material in tool error attenuation. In this work, a dynamic force model is deployed to investigate the effectiveness of using such technique in toolpost dynamic control. Effects of short and open circuit conditions on tool critical frequencies for different structural stiffness ratios are assessed. In the transient solution for tool tip displacement, the pulse width modulation (PWM) technique is implemented for smart material activation to compensate for the radial disturbing cutting forces. A Fuzzy Algorithm is developed to control actuator voltage level enhancing improved dynamic performance. The influence of minimum number of PWM cycles in each disturbing force cycle is investigated in controlling the tool error growth. A methodology is developed to utilize toolpost static force–displacement diagram to obtain required activation voltage to shrink error under different dynamic operating conditions. Time delay of applied voltage during error attenuation is evaluated at different frequencies.     

基于物理降阶模型的桁架结构振动主动控制

该文针对大型挠性桁架结构的振动抑制问题,采用基于变形修正的物理降阶方法对大规模桁架精细有限元模型进行降阶,在此基础上设计线性二次高斯(LQG)最优控制律并完成初始脉冲力作用下的闭环系统仿真。通过与内平衡降阶方法的比较,说明基于物理降阶模型具有更高的计算效率。并且针对闭环数值仿真结果计算了以上两种不同降阶方法的控制效率,结果表明:在相同控制力的情况下,基于物理降阶模型设计的最优控制律对桁架结构的振动抑制效果更明显。