基于ERA模型辨识的H∞振动主动控制试验研究

针对外扰作用下的尾撑式风洞测力模型进行H_∞鲁棒控制试验研究。采用ERA算法(Eigensystem Realization Algorithm)进行模型辨识,可直接获得受控系统动力学方程。为保证系统的稳定性和鲁棒性,结合H_∞混合灵敏度优化方法设计控制器,实现受控模型垂向前两阶模态的振动控制。试验结果表明,结合ERA辨识模型设计的控制器能够有效抑制模型振动,能够将前两阶振动幅值抑制到无控制时的10%以下。     

基于自适应LMS算法的跨声速风洞模型系统辨识

针对风洞试验模型系统辨识不准确的问题,利用自适应LMS(least mean square)滤波器模型对跨声速风洞模型进行系统辨识。由于实测信号中存在多模态耦合,为了提高系统辨识精准度,首先对输入输出信号作了FRF(frequency response analysis)分析得到试验模型俯仰方向前两阶模态,其次利用快速Fourier变换进行模态解耦,接着利用自适应LMS滤波器模型、传递函数模型、多项式模型对俯仰方向单模态进行系统辨识,最后得到了基于自适应LMS滤波器模型的俯仰方向一阶、二阶模态滤波器系数。通过对比不同数学模型的输出与输入之间的相关系数和均方误差及辨识结果,表明自适应LMS滤波器模型具有更高的系统辨识精准度和更简洁的数学模型结构。为后续风洞试验模型振动主动控制计算法的设计提供有力支撑。     

基于NAF-FxLMS控制器的垂尾抖振主动控制

将加速度负反馈(negative acceleration feedback,NAF)控制器与最小均方自适应滤波(filtered-x least mean square,FxLMS)算法相结合,提出了一种改进的反馈式次级通道阻尼补偿方法,来提高FxLMS控制器的性能。针对垂尾模型低阶模态抖振响应的控制问题,设计NAF控制器对次级通道进行反馈式阻尼补偿,建立了多模态的NAF-FxLMS控制器,随后开展垂尾抖振响应主动控制的地面模拟实验。实验结果表明,相比于单独的FxLMS控制器或NAF控制器,NAF-FxLMS控制器对垂尾抖振响应具有更好的控制效果。     

基于多回路扩张状态观测的加筋壁板结构多模态振动控制

摘 要：针对加筋壁板结构的多模态主动振动控制中存在输出叠加和控制输入耦合的问题,结合多回路线性扩张状态观测器(multi-LESO)和线性PD反馈控制律,设计一种不依赖结构数学模型的多模态线性自抗扰复合振动主动控制策略。首先,将其它模态的输出叠加和控制输入耦合看成是广义干扰,每个独立回路的线性扩张状态观测器能够估计出这种广义干扰,再通过前馈补偿的方式抵消这种影响;然后分别独立设计每个独立模态的线性PD控制器。最后,基于dSPACE实时仿真系统,建立了四面固支压电加筋壁板结构的主动振动控制试验平台,进行了几种激励情况下的多模态线性自抗扰振动控制实验。结果表明,提出的方法不仅能够有效的抑制加筋壁板结构由于前两阶共振频率引起的振动,而且具有良好的抑制不确定因素引起的整个结构波动的能力。     

智能柔性构件振动改进多模态正位置反馈控制

为实现较少致动器数目下柔性构件多个振动模态的主动控制,基于力学原理及模态理论建立智能柔性构件动力学方程。在研究单模态PPF控制器性能特点及稳定条件基础上,提出考虑不同模态权重的改进多模态PPF控制器。采用根轨迹法分析系统的闭环阻尼特性确立各阶PPF控制器最佳控制参数并进行数值仿真;搭建实验平台验证相关分析及控制策略的有效性。结果表明,所提考虑模态权重的改进多模态PPF控制器利用单组致动器能有效抑制柔性梁构件的多阶振动模态、显著缩短柔性构件振动的衰减时间。实验中柔性构件的衰减时间由6 s减少为2.5 s。实现较少数目致动器下柔性构件多阶弹性模态的振动主动控制。     

高速平面并联机器人残余振动抑制实验

针对高速轻型并联机器人残余振动抑制问题,基于输入整形法,对其残余振动抑制进行实验研究。首先分析了并联机构运动学,建立了机构动力学模型。然后对每个输入轴分别设计一个比例-微分(PD)控制器,建立包含PD控制器的系统动力学模型。最后分别设计了单模态零振动(ZV)、零振动微分(ZVD)整形器和双模态零振动-零振动微分(ZV-ZVD)整形器,建立了并联机器人实验系统。实验结果表明,输入整形器可以抑制并联机器人的残余振动,而双模态整形器振动抑制效果更好。     

基于模糊控制的压电挠性梁的振动主动控制实验研究

针对压电智能挠性悬臂梁进行了基于模糊振动控制研究.首先推导了压电智能挠性悬臂梁的控制方程.基于查表法设计振动模糊控制器,并在此基础上运用了一种修正技术提高模糊控制精度,提出采用修正Fuzzy-PI双模控制方法,设置信号阀值实现Fuzzy控制和PI控制的切换,设计了挠性悬臂梁振动主动控制算法.建立了压电智能挠性悬臂梁的实验平台,采用提出的控制方法对悬臂梁振动进行实验研究,实验结果表明:振动被快速抑制,系统的动态、稳态性能方面优于普通模糊控制器.     

基于输出预估自抗扰策略的加筋壁板结构多模态振动主动控制

针对加筋壁板结构中存在的模型难以精确确定和多模态外界干扰等问题,基于加速度传感器,提出了一种不依赖结构精确数学模型的多模态线性自抗扰振动主动控制(Linear Active Disturbance Rejection Control)策略。由于加速度传感器和压电驱动器的异位配置不可避免地使得整个控制系统存在时延。为解决该问题,利用Smith预估器的原理,引入输出预估器来补偿时延,这样设计的自抗扰振动主动控制器能够很好地解决时延对结构振动性能的影响。基于dSPACE实时仿真平台、利用加速度传感器、压电片驱动器,设计并建立四面固支压电加筋壁板结构实验系统,对提出的控制方法进行试验比较研究。最后的试验结果表明,采用提出的具有输出预估功能的自抗扰振动控制器,能够快速有效地抑制结构的多模态振动。     

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.     

基于次级通道前馈等效阻尼补偿的改进滤波x-LMS算法

研究了通过次级通道阻尼补偿提高滤波x-最小均方(Least Mean Square; LMS)算法性能的实现方法,提出了一种自适应前馈等效阻尼补偿方案;将前馈补偿器与自适应前馈控制器设计相结合,设计了基于前馈等效阻尼补偿的改进滤波x-LMS算法,改进算法保持了滤波x-LMS算法结构简单、鲁棒性强等优点。以柔性悬臂梁前两阶模态振动为控制目标,分别采用两种算法进行了主动减振仿真实验,结果表明本文提出的改进滤波x-LMS算法具有更快的收敛速度。     

跨声速风洞测力模型主动减振系统的试验研究

跨声速风洞测力试验模型通常采取尾部支撑方式，构成的模型系统刚度较低。试验过程中，受气流脉动力的作用，模型在进入大攻角试验状态时，极易产生剧烈的低频振动，严重影响风洞测力试验的正常进行。针对跨声速风洞测力试验模型系统及其动力学特性，采用主动控制技术来实现风洞模型的振动抑制。建立了一套计算机实时主动减振系统；利用白行研制的、具有激振与减振双重功能的作动器来实施控制，作动器直接装载于模型的内结构空腔，不改变或破坏试验模型的外形结构；基于学习控制策略，提出了相应的控制律设计方法，并给出了一种简单、实用的控制算法；以内含实际支撑装置的风洞测力试验模型系统为对象，通过大量的地面试验评估了整个减振系统的性能。试验结果验证了该主动减振系统的可行性与有效性。     

柔性建筑结构风振自适应控制方法与试验研究

对基于惯性质量型作动器与自适应滤波技术的前馈控制方法用于柔性建筑结构风振控制进行了研究，涉及建模、控制律设计、数字仿真直至风洞模型试验等各个方面。针对柔性建筑结构风振控制的特点，设计与制造了主动式惯性质量型作动器，提出取与受控对象第一阶模态频率同频的正弦信号为自适应控制器的参考输入，建立了一套由ＰＣ机、ＴＭＳ３２０Ｃ３０高速数字信号处理器与多路Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ组成自适应振动控制系统，并进行了计算机仿真与风洞试验。计算机仿真与风洞试验所获得的良好减振效果验证了所提出的控制方法的正确性。     

基于反馈控制的桥梁节段模型干风洞实验仿真

在风场作用中,针对桥梁结构与风荷载耦合而表现出非自伴随动力系统的现象,提出了仅具有5个独立控制参数的桥梁节段主动控制模型来模拟含有8个颤振气动导数的节段风洞试验模型。该模型由刚体所受的分布力系可等效为集中力系原则出发,利用PID反馈控制技术所构造,其在数学力学模型方面与风洞试验模型完全一致。通过几何变换,干风洞实验测量的线位移信号可转换为角位移信号。同时,运用MIMO分析技术可简单而精确获取系统完备的频响函数矩阵,再采用基于复模态理论中左右特征向量的辨识算法识别控制参数。通过数值仿真,验证了主动控制模型的合理性,同时也显示了该模型在桥梁风振研究中的应用价值和推广意义。     

An Intelligent Non-Collocated Control Strategy for Ball-Screw Feed Drives with Dynamic Variations

The ball-screw feed drive has varying high-order dynamic characteristics due to flexibilities of the slender screw spindle and joints between components, and an obvious feature of non-collocated control when a direct position measurement using a linear scale is employed. The dynamic characteristics and non-collocated situation have long been the source of difficulties in motion and vibration control, and deteriorate the achieved accuracy of the axis motion. In this study, a dynamic model using a frequency-based substructure approach is established, considering the flexibilities and their variation. The position-dependent variation of the dynamic characteristics is then fully investigated. A corresponding control strategy, which is composed of a modal characteristic modifier (MCM) and an intelligent adaptive tuning algorithm (ATA), is then developed. The MCM utilizes a combination of peak filters and notch filters, thereby shaping the plant dynamics into a virtual collocated system and avoiding control spillover. An ATA using an artificial neural network (ANN) as a smooth parameter interpolator updates the parameters of the filters in real time in order to cope with the feed drive’s dynamic variation. Numerical verification of the effectiveness and robustness of the proposed strategy is shown for a real feed drive.     

自适应控制算法在振动主动控制中的应用

通过试验研究主动控制振动传递的效果。采用频率在线估计和跟踪滤波的自适应控制方法,将以分量型式抑制谐波干扰引起的振动。在控制过程中,通过递推计算进行频率估计,用中心频率随动的带通滤波器进行信号跟踪,并在基本LMS方法的基础上形成自适应控制器。建立了多点控制试验台,实施跟踪滤波的自适应对消。结果表明：自适应方法能够很好地抑制谐波干扰的影响;对于多点隔振,控制通道之间存在强烈耦合作用,整体隔振效果与被控结构的振动模态相关。     

基于布局优化的压电分流阻尼抑振实验研究

建立了带压电分流阻尼系统的四边固支正方形弹性薄板振动控制的实验模型。针对其前五阶模态振动响应的抑制问题,以压电元件存储的电能最大化为优化目标,对采用多个压电元件的压电分流阻尼系统进行了布局优化分析。将压电元件布局优化后的压电分流阻尼系统应用于弹性薄板的多阶模态振动响应的抑制实验,分别研究了不同压电元件数量和布局对抑振效果的影响。在压电分流阻尼抑振实验中,与分流电路开路时相比,电路闭路后弹性薄板的频响函数在对应的模态频率处的幅值分别降低了11.90dB、16.94dB、16.94dB、19.91dB和16.77dB,说明经过布局优化后的压电分流阻尼系统使弹性薄板的前五阶稳态响应都得到了很好的抑制。同时也进行了非优化布局的压电分流阻尼抑振实验,实验结果对比表明,对压电元件进行布局优化可以明显提高压电分流阻尼系统的抑振效果。     

低速风洞模型振动主动控制仿真研究

风洞试验模型的振动对数据精准度具有较大影响,特别是在大迎角试验状态下模型的振动甚至危害到了试验的安全性。为了提高试验数据的精准度,保障试验安全性,有必要采取措施控制风洞试验中的模型振动。针对中国空气动力研究与发展中心4米×3米低速风洞尾撑装置的特点,制定了两种振动主动控制方案,并对控制方案进行了有限元仿真验证。采用ANSYS软件对4米×3米风洞尾撑装置进行了有限元建模,在此基础上进行了模态分析,获得了尾撑装置的固有频率及振型等动力学特征。进而采用 APDL编程语言,基于平滑预测策略对主动控制过程进行了动力学对比分析。仿真分析表明,所提出的4米×3米风洞尾撑装置主动控制方案具有良好的抑振效果。     

声振主动控制系统中误差通道的在线辨识问题

声振主动控制系统中误差通道的存在是影响系统稳定性和控制效果的关键因素,它直接影响控制系统的收敛性和控制的有效性.在系统参数慢时变或近似不变的情况下,对误差通道离线辨识能大大简化控制算法.然而在很多实际的声振控制系统中,被控系统特性和参数经常是时变的,误差通道的在线辨识便成为主动控制研究中的关键所在.在线辨识算法有很多,结合在线辨识功能的自适应控制种类就更多.通过对声振主动控制领域中的已有的误差通道在线辨识技术进行分析与比较,指出其各自的优缺点,并提出其中值得研究的若干问题,以期有助于今后的进一步深入研究.