基于加速度反馈的挠性智能结构振动主动控制

空间柔性机器人和航天器挠性附件在转动调姿时或者外部扰动带来的振动问题,尤其是在平衡点小幅值的模态频率上的振动很难控制,这将影响系统的稳定性和指向精度.为解决该问题,提出一种基于加速度传感器信号反馈的非线性控制算法,在理论上分析其稳定性和优越性.由于加速度传感器和压电驱动器或电动机的异位配置带来的相位滞后导致控制系统为非最小相位系统,在提出的加速度反馈控制算法中通过移相技术进行补偿相位滞后,并结合低通滤波器和正位反馈控制以及非线性逻辑积分阻尼器对系统的振动进行快速抑制,尤其抑制平衡点附近小幅值振动.设计并建立压电挠性智能结构试验平台,利用加速度传感器、压电片和交流伺服电动机驱动器抑制挠性结构振动,对提出的控制方法进行试验比较研究.试验结果表明,采用提出控制方法能够快速地抑制系统的振动,尤其能够快速抑制平衡点小幅值的振动.     

压电悬臂板振动抑制研究

本文以铝制悬臂板振动系统为研究对象,利用压电陶瓷片的正逆压电效应,组建了一套悬臂板振动控制系统。通过有限元法和试验模态分析方法,分别得到铝制悬臂板的第一、第二、第三阶固有频率和振幅。根据有限元模态分析和试验模态分析的结果,用反演的方法得到在抑制后每一阶固有频率下的振幅大小。     

智能杆致动器优化配置及扭振主动控制试验

针对智能杆系统中压电扭转致动器的优化配置问题,提出了一种由柔性薄壁杆、压电扭转致动器和电阻应变片传感器组成的智能杆系统,对智能杆的扭转振动进行了理论与试验研究。采用拉格朗日方程和假设模态法推导了智能杆系统的动力学方程,建立了系统的状态空间表达式。选取控制器的最小输入能量作为致动器位置配置的优化准则,运用遗传算法获得了压电扭转致动器的最佳配置位置,并构建了试验系统。试验结果表明,获得的最优位置是合理的,将致动器配置在最优位置并实施相应的应变反馈控制,控制器的输入能量最小,智能杆的扭转振动能得到有效抑制。     

柔性结构振动控制的初步分析与试验研究

采用智能结构的原理和方法,对压电元件用于柔性结构振动控控制的有关问题进行了初步探讨。对压电驱动器与结构的匹配关系进行了理论分析,对模态传感－驱动器对在柔性悬臂板结构中的布置数量和位置进行了优化设计,并对结构振动进行了控制试验,验证了该方法的有效性。     

压电悬臂板结构的COMSOL仿真

以悬臂板压电结构为对象,分析其固有频率和阻尼,并探究压电片电压与振幅特性的关系。运用COMSOL进行力场、电场的复合结构仿真,得出了该结构的模态特性,得到了悬臂板压电结构在施加电压时产生振动方向的挠度变化及在振动时压电片的电压变化,为振动主动控制提供参考。     

基于复合喷气压电驱动器的柔性机械臂振动控制

空间机器人和大型柔性空间结构在航天器调姿、变轨、外部扰动的情况下将引起振动问题,其低频大幅值振动将持续很长时间,这将影响航天器系统的稳定性和控制精度.为了快速抑制低频大幅值振动及残余振动,提出采用复合可控反作用力幅值的喷气式驱动和压电陶瓷驱动方案进行振动控制.进行基于复合控制的柔性臂系统动力学建模并给出控制算法.设计并建立柔性机械臂试验平台,构建气动驱动控制回路及压电驱动控制回路.进行基于压电陶瓷驱动器、喷气式驱动器及复合喷气和压电驱动器的柔性臂大幅值低频模态振动控制的几种方法试验比较研究.试验结果表明,采用的控制方案和方法既可以快速地抑制柔性机械臂统的低频大幅值振动,又明显地同时抑制高频和低频小幅值残余振动.     

基于压电分流型智能超材料的新能源汽车NVH控制研究

针对新能源汽车振动与噪声问题,采用在板材上周期贴敷压电片并连接分流电路的方法构建了智能超材料板。仿真结果表明,电阻分流电路可以有效抑制模态振动峰值;电感分流电路和电阻-电感分流电路都可以形成局域共振带隙,带隙内相应频率振动可以得到有效抑制,且带隙位置可方便的通过调节电感值实现。构建的智能超材料板具有附加质量低及智能化调节优点,可有效减轻新能源汽车车身振动。     

风洞悬臂杆结构主动减振系统的研究

风洞测试时悬臂杆振动会影响测试数据的准确性,为了抑制悬臂杆振动,设计了基于压电驱动器的主动减振系统,提出了将人工神经网络与传统比例积分微分(proportion integration differentiation, 简称PID)相结合的智能控制算法,实现了控制参数在线实时调整。对该控制系统的减振性能分别进行了地面试验和风洞试验,并与采用传统PID控制的试验结果进行对比。结果表明,神经网络PID控制下的振动收敛时间比传统PID缩短了50%,而且在不同风速和攻角下,悬臂杆系统的1阶模态振动均得到了有效衰减（衰减幅度>19 dB）,表现出良好的鲁棒性。     

充液对压电振子超声振动频率的影响研究

振子在不同边界条件下模态将有较大的变化,利用ANSYS有限元模拟,对空心振子充液前后进行了对比模拟,并进行了振子的实际测试实验,探究了充液对空心振子超声振动模态频率的影响。有限元模拟分析及振子实际测试表明,空心振子在充液后,同阶振动频率将会降低,并且频率降低的幅度随着所充液体密度的增大而增大;对空心振子纵弯模态频率在充液前后的不同变化情况进行了研究与比较,对比发现,充液条件对于弯曲模态频率的影响大于对拉伸模态的影响;充液压电振子的幅频特性曲线呈非线性,软特性。为超声压电振子的模态频率微调提供了理论与实验依据。     

高速动车组车下设备对车体振动传递与模态频率的影响机理研究

提出包含车下设备的高速动车组整备状态车体模态频率数值计算方法,并通过有限元分析及模态试验,验证该方法的准确性。理论研究车下设备对车体振动传递特性的影响,定义车体的名义垂向一阶弯曲模态频率,并结合数值计算、振动传递分析与模态试验分析,分析车下设备悬挂参数对车体模态频率的影响机理。研究表明,采用弹性吊挂的车下设备将与车体形成耦合振动系统,且耦合振动系统在原车体垂向一阶弯曲模态频率附近产生一个新的低频振动分量和一个新的高频振动分量;低频振动振型为车下设备垂向振动与车体垂向一阶弯曲振动同相,高频振动振型为二者反相振动;随着车下设备悬挂刚度的变化,车体的名义垂向一阶弯曲频率将会发生"频率跳变"现象。     

悬臂梁振动自适应模糊控制及DSP实现

以粘贴压电自感作动器的悬臂梁为研究对象,推导了悬臂梁振动主动控制的压电元传感方程和作动方程的传递函数,给出了压电自感作动器位置配置优化方法,设计了硬件电路以及软件流程.试验结果表明,利用压电自感作动器和模糊自适应控制器可有效地抑制悬臂梁振动.     

刚柔耦合系统的振动主动控制

针对航天器是一种通过柔性关节连接浮动中心刚体和挠性附件(如卫星太阳帆板,空间机器人等)组成的刚柔耦合复杂系统,在调姿或者外部扰动带来振动时,将影响系统的稳定度和指向精度,基于模态理论,建立包括柔性关节和柔性链的刚柔耦合结构动力学模型并写成状态空间表达形式,且分析系统的能控性。提出采用复合正位反馈(Positive position feedback,PPF)和比例微分(Proportional derivative,PD)控制律抑制柔性结构振动,在理论上分析其稳定性和控制性能。设计并建立刚柔耦合结构试验平台,进行包括位置设定点及转动振动主动控制研究。试验比较研究结果验证提出方案能够快速地抑制振动。     

Active robust vibration control of flexible composite beams with parameter perturbations

In this paper, a time domain approach is presented to treat the problem of active controlling simultaneously the bending and torsional vibration of flexible composite beams under both mode truncations and parameter perturbations. In the proposed approach, the residual model, which is known as unstructured uncertainty, is viewed as an additive perturbation to the controlled model. Based on a state space model, which incorporates both bending and torsional deformation effects, of the flexible composite beam with piezoelectric sensors and actuators, a robust stability condition is derived to guarantee that both bending and torsional vibration of the flexible composite beam, which is subject to both mode truncation and linear time-varying parameter perturbations, can be actively controlled by an observer-based controller. The proposed robust stability condition gives an insight into the relationship between the stability margins of the controlled and residual mode subsystems, spillover effects and additive time-varying parameter perturbations. Finally, an active robust vibration control problem of a cantilevered flexible composite beam with piezoelectric sensors and actuators is provided for illustration.     

Active vibration control based on modal controller considering structure-actuator interaction

Active vibration control to suppress structural vibration of the flexible structure is investigated based on a new control strategy considering structure-actuator interaction. The experimental system consists of a clamped-free rectangular plate, a controller based on modal control switching, and a magnetostrictive actuator utilized for suppressing the vibrations induced by external excitation. For the flexible structure, its deformation caused by the external actuator will affect the active control effect. Thus interaction between structure and actuator is considered, and the interaction model based on magnetomechanical coupling is incorporated into the control system. Vibration reduction strategy has been performed resorting to the actuator in optimal position to suppress the specified modes using LQR (linear quadratic regulator) based on modal control switching. The experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed methodology. Considering structure-actuator interaction (SAI) is a key procedure in controller design especially for flexible structures.     

Resonance-mode effect on microcantilever mass-sensing performance in air

This research investigates the air drag damping effect of the micromachined cantilevers in different resonance modes on the quality factor, which are operated in ambient air. Based on a simplified dish-string model for air drag force acting on the resonant cantilever, the air drag damping properties of the cantilevers vibrating in different modes are analyzed with theoretic vibration mechanics, which is complemented and further confirmed with finite-element simulation. Four kinds of integrated cantilevers, which resonate in the first flexural mode, the second flexural mode, the first torsional mode, and the second torsional mode, respectively, are designed and fabricated by using micromachining techniques. Finally, biomolecular sensing experiments are carried out to verify the theoretical results obtained before. From both the modeling and experimental results, it can be seen that damping characteristics of the torsional cantilever resonators are generally better than that of the flexural ones, and quality factor of the cantilever resonator in a higher-frequency mode is always superior to that in a lower-frequency one. Among the four kinds of microcantilever resonators operated in our experiments, the one operated in the second flexural modes exhibits the highest Q factor and the best biomass sensing performance.     

两自由度悬臂梁压电发电装置的宽频发电性能

研究一种两自由度悬臂梁压电发电装置,以提高悬臂梁式压电发电装置在环境振源振动频率波动情况下的发电能力。建立了两自由度悬臂梁压电发电装置的频率特性理论模型,并对该理论模型进行了有限元仿真验证,结果显示理论计算与有限元仿真结果基本一致。对两自由度悬臂梁压电发电装置的频率特性模型进行了数值模拟,模拟显示:装置的前两阶模态频率比随着长度比、宽度比、厚度比及质量块的质量比的增大均出现一个最小值,且在长度比为0.8,宽度比为2.0,厚度比为1.0,质量块的质量比为0.5时,装置的前两阶模态频率比最小,结果表明通过合理设计两自由度悬臂梁压电发电装置的结构参数,可以使得装置的前两阶模态频率最接近。最后,实例设计了两自由度悬臂梁压电发电装置,并进行了试验测试,证实了优化后的两自由度悬臂梁压电发电装置具有宽频带发电能力。     

模糊滑模控制的悬臂梁振动主动控制的研究

采用压电元件作为传感器和驱动器,基于模糊滑模系统的基本原理,设计了模糊滑模控制器,对挠性悬臂梁进行了主动振动控制。对悬臂梁末端施加控制前后端点的振动响应曲线进行了比较,仿真结果表明,采用的控制器对于提高悬臂梁振动控制是非常有效的。     

基于同位加速度负反馈的振动主动控制研究

基于同位加速度传感/压电驱动的反馈方法,对用扬声器进行声激励的四面固支铝板开展多模态振动主动控制研究。根据实验模态分析的结果,确定了传感和驱动的位置。经过压电片传感/压电片驱动和加速度传感/压电片驱动两种方案的对比,选择了能观性和能控性较好的加速度传感方式。在正位置反馈控制律（positive position feedback,简称PPF）的基础上,以加速度信号进行反馈控制律的设计,提出基于加速度负反馈控制方案 (negative acceleration feedback,简称NAF),并对其进行稳定性和控制机理分析。控制时以加速度信号作为评价指标,对64和158 Hz两个模态分别进行单模态和多模态控制。结果表明,基于加速度的反馈控制可以大幅度降低铝板的振动,最大控制效果可达11 dB,远大于PPF的控制效果,对单模态和多模态均能实现有效的振动控制。     

基于趋近律离散滑模控制的柔性梁振动抑制

研究了基于趋近律的离散滑模控制在智能柔性悬臂梁振动控制中的应用.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结构动力学模型.由于柔性结构系统受到不确定外部扰动和量测噪声的影响以及参数的不确定性,滑模变结构控制可以实现滑动模态与系统的外干扰和参数摄动无关,即滑动模态的不变性.结构振动控制在系统状态由于外部干扰的影响偏离平衡状态,在控制器作用下能使系统趋于零状态.采用趋近律离散滑模控制方法设计状态调节器.由于状态量不能直接测量,故利用离散卡尔曼滤波技术构造状态估计器.采用试验模态测试方法得到结构的前4阶固有频率和阻尼比,与有限元方法的结果比较,说明该模型的正确性.使用dSPACE实时仿真系统和MATLAB/Simulink搭建控制系统,进行了振动主动控制试验.试验结果表明,所设计的控制器能有效抑制结构的振动响应.