振动主动控制中传感器与作动器参数的优化设计

本文分析了文献[5]中方法的不足,提出了梁式结构振动主动控制中同时优化系统极点和传感器/作动器位置的联合优化设计法,指出传感器/作动器最优位置不仅与受控结构的模态频率和振型有关,还与系统的极点位置有关.对于最低阶模态频率较低(小于1.0 rad/s)的受控结构的主动控制系统不宜采用加速度传感器.     

基于模型预测控制的高速柔性并联机构振动控制

由于高速柔性并联机构系统的非线性和不确定性,提出一种鲁棒模型预测振动控制策略以抑制系统的振动响应。以压电陶瓷为作动器,电阻应变片为传感器,采用有限元方法和模态截断技术建立机构不精确动力学模型。机构动力学模型中的非线性因素、耦合因素及系统高阶模态影响作为扰动,将模态力视为不确定扰动,并且考虑输出噪声对系统的影响,建立系统动态响应的预测模型,以预测输出值。采用Kalman滤波估计器估计系统状态量,以控制电压及其变化率为约束条件,将系统性能指标和约束条件化为一个标准二次规划优化问题,通过求解这一优化问题来得到最优控制输出,形成滚动优化控制输出来抑制系统振动响应。采用表征作动能量的可控性指标和表征观测信号能量的可观性指标,确定作动器和传感器的最优位置。以新型2自由度并联机构为实例,采用实验模态方法得到系统的前2阶固有频率和阻尼比,与有限元方法得到的结果比较分析表明理论模型不精确。基于该模型采用dSPACE实时仿真系统和MATLAB/Simulink搭建鲁棒控制系统,进行振动主动控制试验研究。试验结果表明,所设计的控制器能有效地抑制柔性构件产生的弹性振动,验证了控制器的有效性和鲁棒性。     

压电智能桁架作动器的数目和位置的优化配置

由于离散型智能桁架结构的固有特性和作动器的优化配置是高度耦合的,即结构的固有特性影响着作动器的优化配置,相应地,作动器配置的数目和位置反过来影响结构的固有特性,很难预先给定一个作动器数目的确定准则.利用优化的方法来讨论压电类结构中作动器数目和位置的优化配置是一种较好的选择.基于结构耦合模态的最优控制,建立了考虑作动器数目和位置优化配置以及控制器参数的优化模型.针对设计变量,提出了一种基于遗传算法的优化策略.数值算例的结果表明,采用优化的方法来确定作动器的优化配置是可行的、有效的.     

基于神经网络的结构振动智能主动容错控制算法研究

针对重大工程结构振动控制系统传感器失效问题,提出了基于多路RBFNN的控制系统动力特性辨识及传感器故障检测方法,实现了重大工程结构控制系统传感器失效时的智能主动容错控制。通过把传感器反馈信号分解为多路信号进行系统辨识,实现反馈信号的分离,避免正常传感器与故障传感器之间的相互干扰;当传感器正常工作时,控制器按设定的控制算法确定控制力,当多路RBFNN检测到某个传感器失效时,控制系统将自动剔除该传感器信号,切换到考虑此传感器失效时的振动控制算法确定控制力。通过对AMD控制Benchmark模型进行仿真分析,验证了所提出的基于多路RBFNN传感器故障检测技术以及智能主动容错控制策略的有效性和优越性。     

新型高效电磁反力作动器的设计

针对发动机振动主动控制系统设计了一种高性能电磁反力作动器。首先简单介绍了作动器的设计要求以及结构原理,接着对作动器的磁场进行了近似计算,并将作动器的力传递模型简化为单自由度振动系统,计算了作动器的作动力。最后通过Simulink软件对其作动力进行了仿真,并以正弦信号输入对作动器的作动力进行了性能试验。结果表明作动力大,作动器性能良好,这对发动机振动主动控制系统的实现以及开展其他主动控制系统的研究具有非常重要的意义。     

建筑结构的鲁棒分散控制方法研究

传统集中式控制方法需同时采用系统所有测量信号,进而计算出所有作动器的控制力并发出信号进行振动控制,其控制系统复杂且可靠性较差。近年来出现的基于系统局部信息反馈的分散控制策略,设计简单及可靠性高,已经成为目前研究的热点之一。目前分散控制策略的作动器控制力仅采用建筑物的相邻两层测量信号进行控制,虽然能够控制住结构的响应,但信息过少,控制效果不好。为了达到更好的控制效果,在鲁棒控制策略的基础上,通过设置特殊矩阵的方式,提出了一种基于建筑物相邻四层信号的鲁棒分散控制方法。从动力仿真的结果来看,本文方法的控制效果比仅依靠相邻二层信号的控制效果好得多。     

基于系统模态的作动器优化配置

文章提出一种优化方法,该方法首先利用FEM方法对结构系统进行模态分析,从中提取与振动源相关的主要模态,然后通过对模态特征向量和特征频率进行重组,得到只包含待控模态的系统状态空间方程,再建立系统振动能量最大的优化目标函数,最后通过固定外载荷力对目标函数进行计算得到作动器分布的最佳位置.算例验证结果表明该方法可以结合FEM方法方便地获得作动器的最佳位置.     

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

本文由线弹性压电结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程。建立了准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出了一种新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立了离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法（GA）求解了该最优问题。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制, 研究了最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解具有较好的振动控制效果。     

振动主动控制系统的一种鲁棒设计方法

本文从控制系统校正的角度出发,提出了一种振动主动控制系统的鲁棒设计方法,并且研究了传感器与作动器的位置对系统鲁捧性的影响,指出传感器与作动器对位有助于提高系统的鲁棒性。最后通过一算例说明了该方法的可行性。     

建筑结构振动控制的改进滑模砰砰方法

本文将滑模控制和最优控制中的砰砰控制相结合,对建筑结构振动控制的滑模砰砰方法进行了研究。由于在建筑结构中应用的作动器多为液压形式,作动器很难适应正负极限控制力间的快速转换,为此本文给出了改进滑模砰砰控制律,用指数函数代替符号函数。考虑到安装传感器数量的限制,给出了有限状态输出的滑模砰砰控制方法。文中还给出了确定作动器最大控制力的近似方法。算例表明,文中所给出的方法能有效地减小结构地震峰值响应,且具有对结构固有参数变化较好的鲁棒性。改进滑模砰砰控制具有重要的实际应用价值。     

压电悬臂梁的动力学建模与主动控制

为计及压电层的刚度特性,基于一阶剪切变形理论推导压电层合梁的抗弯刚度,由Hamilton变分原理建立压电层合梁的有限元模型,采用模态叠加方法对有限元模型降阶。在应变最大处配置制动器和传感器,基于鲁棒极点配置算法对低阶系统设计状态反馈,配置极点至期望位置。把针对低阶系统设计的控制器作用于原系统以实现振动主动控制。数值算例验证了这种力学建模方法和控制器设计方法的有效性。     

挠性结构主动减振中传感器和激振器的优化布置

本文提出了从有效衰减振动能量的角度，通过最小化Ｌｙａｐｕｎｏｖ第二方法中的优化性能指标，对挠性结构振动的主动控制进行优化的方法。研究了在以位移传感器或速度传感器作为检测元件进行部分状态变量反馈的约束条件下，传感器、激振器的最优位置以及最优反馈增益的确定，讨论了在包括截尾残余模态的情况下系统的稳定性。本文还对在两邻边固定、另两邻边自由的边界条件下矩形薄板振动的主动控制进行了优化计算和数字仿真。结果表明，优化的控制系统能够有效地衰减结构的振动。本方法具有明显的物理意义和较高的计算速度，并且通过选取不同的权系数，能够协调控制能量和振动的衰减效果，从而得到合理的位置和增益。     

基于增益调度的结构振动分布式反馈控制

使用多传感器和驱动器控制简支板的振动.传感器和驱动器局部连接组成独立的闭环.在仿真中分别采用了点力驱动器和压电陶瓷驱动器.以极小化系统的总动能为目标,使用同步扰动方法对结构振动的分布式反馈增益进行最优调度.仿真结果表明,所提出的方法可以有效地抑制结构振动.     

基于整数编码遗传算法的传感器优化配置研究

动态测试中,为了将传感器配置在合理的自由度上,以便充分反映结构的动力特性,需对传感器进行优化配置。本文分别以模态置信度矩阵、Fisher信息阵和它们的组合为优化准则,采用整数编码遗传算法,探讨了单目标和多目标优化的传感器优化配置问题。通过与现有的模态动能法、有效独立法及基于QR分解的逐步累积法进行比较,传感器优化配置的结果表明整数编码遗传算法优于上述三种现有方法。     

A gradientless technique for optimal distribution of piezoelectric material for structural control

Application of smart piezoelectric materials in structural control is gaining momentum. Optimum placement and actuation of the smart material is an aspect of paramount importance in such structures. In this paper, we present an iterative technique to optimize the shape of piezoelectric actuators in order to achieve the desired shape of the structure. A C₀‐continuous eight‐node plate finite element with five degrees of freedom is employed. A gradientless shape design procedure based on the residual voltages is developed. It aims at minimizing the quadratic measure of the global displacement residual error between the desired and the current structural configuration. The actuators gradually adapt to a shape that is most efficient in resisting the external excitation. The present technique can be well suited for any static and time‐varying excitation. In vibration control it is often necessary to create modal sensors and actuators in order to observe or excite some specific modes. Such modal sensors and actuators alleviate spillover problems and thus they avoid exhaustive signal processing. Several numerical examples for static as well as dynamic cases are presented to demonstrate the efficacy of the present technique. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于有效独立的改进传感器优化布置方法研究

随着结构健康监测技术的发展,传感器优化布置问题日趋突出。综合考虑有效独立法和模态动能法的优缺点,分别以平均加速度幅值和模态动能修正有效独立法的传感器优化布置结果,提出了两种基于有效独立的改进传感器优化布置方法———有效独立-平均加速度幅值法(EI-AAA)和有效独立-模态动能法(EI-MKE)。运用模态动能准则、平均加速度幅值准则、Fisher信息矩阵准则、截断模态矩阵条件数准则、模态置信准则评价并比较上述两种方法及有效独立法、模态动能法、有效独立驱动点留数法和有效独立驱动点残差法。实际钢井字梁采光顶结构算例结果表明,本文提出的有效独立-平均加速度幅值法(EI-AAA)和有效独立-模态动能法(EI-MKE)在考虑截断模态线性独立的同时都能自动选择具有较高平均动态响应和模态动能的测点位置,有较强的抗噪声性能,在六种方法中布置结果最为有效。     

基于光控压电混合驱动悬臂梁独立模态控制

本文提出利用镧改性锆钛酸铅（PLZT）的光电效应,将PLZT作为电动势源来驱动压电作动器,从而实现光控板壳结构的振动控制。基于光控压电等效电学模型建立了光控压电混合驱动的数学模型,并进行了实验验证。为了实现光控悬臂梁的独立模态控制,针对悬臂梁结构,设计了正交模态传感器/作动器表面电极形状函数。提出PLZT与压电作动器正/反接控制的激励策略,并结合速度反馈定光强控制的控制算法,利用Newmark-β法对不同光照强度下悬臂梁的动态响应进行了数值仿真分析。分析结果证明了本文所设计的模态传感器/作动器及针对光控压电混合驱动提出的控制策略的正确性。     

电流变夹层板控制系统的传感器优化布置

为了解决ER夹层板系统的模态控制的实用性问题,研究了悬臂板模态坐标估计和传感器定位问题。按照变刚度模态控制算法的要求,给出了离散坐标下模态坐标估计的方法;根据连续结构的振型分析,分析传感器定位计算,建立了数学优化模型;按照模态动能法初步筛选后,枚举得到传感器优化布置方案,并且从估计精度和控制效果两个角度进行了布置方案的算例验证。结果表明,优化的传感器布置能在较少的数目下,模态坐标估计满足模态控制算法的输入需求。     

主动桁架模态的试验研究

以一个78杆空间桁架为试验模型，研究线性主动结构构型的试验问题。对构型主动结构及特性分析的试验技术做了实践。采用耦合模态空间的二次型最优控制算法，利用压电堆作动器，构型了主动桁架。采用dAPACE半实物物理仿真操作平台，分别测试了被动桁架和主动桁架的模态振型和模态参数，并测试了主动桁架在随机激励作用下的传递函数。结果表明，主动结构由于引入了控制系统而使得结构的阻尼增大，同时由于在压电作动器附近的杆单元的模态受到抑制，所以主动桁架的模态与相应的被动桁架的模态存在着较大的差别。