智能结构超谐波振动的最优化控制

应用最优化控制方法研究智能结构体超谐波振动的减振控制。由非线性振动定常解的稳定条件得到结构超谐波振动稳定的速度和位移反馈控制参数范围。以超谐波振动有控制和无控制自由振动峰值的比值为超谐波减振的衰减率,分别以该衰减率和能量函数为目标函数,以反馈控制参数范围为约束条件,利用最优化方法计算得到衰减率和能量函数值最小的速度和位移反馈控制参数,实现智能结构体超谐波振动的控制器设计。计算发现速度反馈控制参数数值越大,衰减率越小,控制效果越好;通过选择最优的位移反馈控制参数可以使得输入能量和振动能量最小。由超谐波振动试验实测数据计算出最优化控制参数,设计非线性超谐波振动试验控制系统,进行减振控制试验研究。     

悬臂梁非线性振动的压电分阶最优控制

提出非线性的分阶最优控制策略,并将其应用于悬臂梁非线性振动的压电减振控制.建立悬臂梁非线性压电减振系统动力学模型,导出减振系统的非线性动力学运动微分方程.将梁振动挠度和压电驱动器的控制电压同时展开为小参数形式,利用摄动法实现非线性压电控制微分方程的线性化.通过空间解耦,得到状态空间方程.设计非线性分阶控制器,对该减振系统进行分阶最优控制.     

磁性液体阻尼减振实验台的设计和实验分析

为了测试磁性液体阻尼器的有效性和各种参数对阻尼器减振效果的影响,设计一种阻尼器模型,并根据阻尼器的工作原理设计一套满足频率低、位移小、加速度小等条件的实验台,根据实验要求,在实验台上对磁性液体阻尼器进行实验.结果表明:实验台可实现频率范围为0.74～5.75 Hz的振动;与没有安装阻尼器相比,弹性悬臂梁在安装阻尼器后振幅完全衰减的振动时间缩短约65％;安装阻尼器后的悬臂梁对数衰减率随频率大小的变化规律是先增大后减小,然后再增大;安装阻尼器后的悬臂梁对数衰减率随着振幅的增大而增大;磁性液体阻尼器对于不同长度悬臂梁的振动都起到了很好的减振作用,当悬臂梁的长度为0.7m时,磁性液体阻尼器的减振效果最好;磁性液体阻尼器对于不同初始振幅的悬臂梁振动都具有良好的减振效果.     

受简谐激励弹簧测力机构的主参数共振研究

应用拉格朗日方程得到有阻尼弹簧测力机构在简谐激励作用下的非线性运动微分方程Duffing-Mathieu方程;根据非线性振动的多尺度法求得系统满足主参数共振情况的一次近似解,并对其进行数值计算.分析激力、谐调值、阻尼等对系统主参数共振响应曲线的影响.随着阻尼的减小和参数激励幅值的增大,系统幅频响应曲线的峰值和共振区增大.其他参数相同时, 硬刚度力幅响应曲线与软刚度力幅响应曲线关于谐调值反对称.     

机电非线性振动系统参、强联合激励的分岔

建立机电耦联非线性电机模型的数学方程：利用非线性振动理论中的非固定参数的渐近法，研究由电磁力激发的参数激励、强迫激励联合作用下非线性振动系统的动力学特性，由理论分析、数值计算得到系统的分岔转迁集和四种分岔响应曲线。在实验的基础上揭示各种电磁参数及机械参数对主参数共振的振幅、运动稳定性及共振曲线的拓扑结构的影响，同时显示系统的运动状态及其稳定域，分析结果为有效地控制电机的稳定运行提供依据。     

不平衡磁拉力作用下电机柔性转子非线性振动研究

建立了电机柔性转子非线性动力学模型,并使用多尺度法计算了系统的一次近似主共振响应。通过定常解分析发现转子主共振响应中存在幅频曲线左偏这一软非线性现象,并且不平衡磁拉力的线性部分使系统固有频率下降,非线性部分使主共振峰左偏量增大。使用MATLAB软件中的“ode23”函数绘制出系统的时间历程图及相图,数值积分的结果验证了解析解的正确性。从理论上揭示了转子长度、转子外径以及平均气隙长度等电机参数对非线性振动的影响,为电机的优化设计和控制提供了理论依据。     

受简谐激励载流导线的主共振—主参数共振

研究受简谐激励的二长直电流间载流导线的主共振-主参数共振问题,应用动力学方法建立载流导线受外部激励和安培力的Mathieau方程.根据非线性振动的多尺度解法,得到系统满足主共振-主参数共振情况的近似解以及对应的定常解,并对其进行数值计算.分析电流、张力、激励幅值、阻尼等参数对系统的影响,得到随参数变化响应曲线的变化规律.     

基于磁化电流法的双稳态非线性能量阱抑振性能研究

为在宽频内实现对主系统的振动控制，设计了一种双稳态非线性能量阱(Bistable-Nonlinear Energy Sink, BNES),基于磁化电流理论对悬臂梁结构系统的空间磁力进行分析，研究磁间距大小及悬臂梁长度对BNES稳定点的影响。建立主系统耦合BNES的动力学方程，研究不同激励强度时BNES瞬态工作性能的稳定性。通过幅频特性研究磁间距对BNES的稳态减振性能影响，并分别研究了在0.5倍、1倍、1.5倍共振激振频率下，随激励强度变化，BNES工作性能的稳定性。分析结果表明，提出的BNES具有良好瞬态及稳态减振性能，且鲁棒性较好。     

硬涂层参数对基础激励作用下悬臂梁振动特性的影响分析

在硬涂层阻尼减振研究中,迫切地需要创建硬涂层复合结构的分析模型,进而对硬涂层的动力学减振机理给予理论解释。基于Oberst梁理论,创建了基础激励作用下硬涂层复合悬臂梁的解析分析模型,并推导出求解复合梁固有频率、振动响应和振动应力的解析表达式。进一步,对硬涂层复合悬臂梁进行实例研究,用试验及有限元法验证上述解析推导的正确性。应用所创建的硬涂层复合梁解析模型,分析了硬涂层参数(包括弹性模量、损耗因子、涂层厚度)对悬臂梁振动特性的影响规律。结果表明,随着硬涂层弹性模量、损耗因子、厚度的增加,复合梁总体的抗弯刚度与损耗因子均相应地增大,共振响应及共振应力减小,说明增加硬涂层的上述参数有助于提高复合结构的减振效果。     

超磁致伸缩薄膜悬臂梁的非线性变形分析及试验

将双层超磁致伸缩薄膜(Giant magnetostrictive thin film,GMF)悬臂梁的磁致伸缩作用等效为分布弯矩作用,以简化磁机耦合模型。在几何非线性弹性变形理论基础上,根据哈密顿原理推导出超磁致伸缩薄膜非线性变形的控制方程,并给出超磁致伸缩薄膜悬臂梁静态几何非线性变形模型、非线性主共振和超谐波共振响应模型。采用悬臂梁式超磁致伸缩双层膜(铽镝铁—聚酰亚胺—钐铁)进行变形特性的试验研究,发现超磁致伸缩双层膜表现出明显的几何非线性变形特征,悬臂梁端部位移量约为厚度的2/3;同时检测到悬臂梁的超谐波共振现象,前三阶超谐波共振的驱动效率与一阶主共振的驱动效率具有可比性。将所提出的静态非线性变形模型和振动响应模型分别与试验结果对比发现,两个模型可较好地说明双层超磁致伸缩薄膜的非线性变形特性,为有效地利用超磁致伸缩薄膜设计开发微驱动器和微传感器提供依据。     

时滞阻尼液固混合介质隔振系统的动力学研究

针对单一线性阻尼被动隔振无法兼顾共振区与隔振有效区的隔振性能问题,提出了时滞立方非线性主动阻尼控制策略。以具备分段线性刚度液固混合介质受控隔振系统为研究对象,运用多尺度摄动法对受控系统进行主共振分析,建立了等效刚度和等效阻尼的概念,并考察时滞对受控系统幅频特性与传递率特性的影响。研究结果表明:由于主动时滞的引入,立方非线性速度反馈增益既可调控阻尼,还可以调整隔振系统的等效刚度;与单一线性阻尼相比,立方速度反馈在不改变隔振有效区隔振效果的同时,显著降低了共振区的传递率;对于因鞍结分岔在主共振造成的幅值跳跃,通过选择合适的反馈时滞可以有效抑制跳跃的出现;通过稳定性分析发现,受控系统并非是全时滞稳定,因此最后给出控制器中反馈增益和时滞的参数区间设计方法。     

基于音圈电机作动器的主轴振动LQG控制研究

为克服被动动力吸振器偏离最优状态时抑振效果严重降低的不足,针对动刚度较低的铣削加工机床的主轴振动控制,设计了一种混合动力吸振器的主动振动控制系统。该吸振器以音圈电机为作动器,以位移和速度作为状态反馈信号,直接对铣削刀具施加控制力,从而达到抑制主轴振动的目的。在分析音圈电机驱动特性的基础上,建立了两自由度的铣刀与主轴振动力学模型,推导出系统的状态方程,并采用线性二次高斯控制（LQG）最优控制方法对振动控制模型进行了仿真,最后在实际的数控雕铣机床上进行了相关的铣削主轴振动控制实验。结果表明,该方法能有效降低主轴切削振动,基于振动位移反馈的抑振效果优于基于振动速度反馈的抑振效果,但基于振动速度反馈能更有效地抑制高频的共振峰值,实际系统应根据振动反馈信号实时调整主动控制参数。     

速度正反馈在地震模拟振动台中的应用

本文根据地震模拟振动台油柱的共振频率较高这一特点,提出了基于速度正反馈的三参量控制技术,并对振动台模拟控制系统进行了改造,并将改造的系统传递函数进行数学推导,确定了能够保证系统稳定的开环增益与阻尼比的取值范围。最终对改造后的系统进行仿真,得出相关结论。     

半主动直接输出反馈变结构控制电流变阻尼器减振研究

针对多层结构电流变阻尼器减振系统运动状态难以完全实时测量、扰动存在不确定性、系统参数容易出现摄动以及阻尼器连续可调的特点,提出了半主动直接输出反馈变结构控制策略,根据滑模运动方程稳定的Hurwitz判据选择滑模梯度参数,实现控制与扰动完全解耦;饱和非线性环节使阻尼器阻尼力不超调;阻尼力对主结构做负功控制规则保证主结构最佳减振。仿真分析表明,电流变阻尼器减振控制系统效果明显,不仅对扰动具有自适应性,而且对系统参数摄动也具有很强的鲁棒性。     

局域共振型隔振系统的低频振动特性分析

为有效降低基体低频振动对精密仪器测量精度的影响,提出了周期布置吸振器的减振方式.建立了基体-隔振设备-吸振器系统的动力学模型,利用模态叠加法导出了系统耦合振动方程的解析解,并用有限元法进行了验证.获得了吸振器数量、参数对系统低频振动特性的影响规律,在吸振器总数一定的情况下,将其划分为包含不同数量振子的周期元胞.以低频段...     

卫星遥感器微振动隔离用液体阻尼隔振器

针对卫星平台的微振动,提出了具有良好高频衰减及共振峰控制性能的松驰型液体阻尼隔振器。建立了松弛型液体阻尼隔振模型,从传递率的角度分析了提出的松驰型液体阻尼隔振器与传统隔振模型的区别。使用波纹管提供刚度及密封,基于小孔阻尼结构形式,设计了松弛型液体阻尼隔振器并求解了系统的阻尼因子。对所设计的隔振器进行了传递率测试,结果表明,松弛型液体阻尼隔振器在共振频率处能够提供大阻尼,将共振放大倍数控制在2倍以内;在高频隔振区能提供小阻尼,100Hz衰减率超过95%,隔振性能优于传统隔振器。得到的结果和理论预测吻合较好。该项研究对松弛型液体阻尼隔振器的设计以及其在遥感器微振动隔离的应用上具有很强的指导作用。     

Design of a passive damper with tunable stiffness and its application in thin-walled part milling

The optimal parameters of a passive damper (i.e., frequency ratio and damping ratio) for the machining vibration attenuation of thin-walled part are quite affected by the material removal process, and the damper becomes ineffective easily due to its narrow vibration band. A design of passive damper with tunable stiffness is proposed for being adaptive to the varying machining process, and the frequency tuning is carried out by orienting the mass block inside the damper. Modal tests are performed to verify the amplitude reduction of the target mode of the thin-walled part. It shows that the optimal vibration suppression is reached when the orientation is 20° due to a smaller frequency difference between the damper and target mode, and the amplitude of the damped frequency response function is reduced to 1.3 %. Finally, machining tests are carried out, and the machining vibration and surface quality validate the large increase of machining stability. The experimental critical depth of cut under optimal tuning is increased by 1.8-folds compared with the most ineffective tuning, and the machined surface roughness is reduced by more than 80 %.     

带有加速度反馈的柔性机械臂振动控制

以柔性臂末端点切向加速度作反馈量。结合柔性臂机电耦合特性,得到了以柔性臂末端点转角θｔ为输出,以柔性臂给定转角θｄ为输入的传递函数。将时域的二次型目标函数转化为频域的二次型目标函数,求解加速度增益。实验结果证明了加速度反馈抑制柔性臂振动的有效性和实用性。     

超声振动车削组合系统的共振分析

对超声振动车削系统进行了合理分解 ,分析计算了各子结构 (部件 )的机械阻抗 ,然后应用机械阻抗综合法求得组合系统的共振频率 ,为在试验中寻求系统的谐振点提供了理论依据。经过计算发现 ,变幅杆的长度对系统振动频率的影响不如弯曲刀杆显著。     

Direct yaw moment control for distributed drive electric vehicle handling performance improvement

For a distributed drive electric vehicle (DDEV) driven by four in-wheel motors, advanced vehicle dynamic control methods can be realized easily because motors can be controlled independently, quickly and precisely. And direct yaw-moment control (DYC) has been widely studied and applied to vehicle stability control. Good vehicle handling performance: quick yaw rate transient response, small overshoot, high steady yaw rate gain, etc, is required by drivers under normal conditions, which is less concerned, however. Based on the hierarchical control methodology, a novel control system using direct yaw moment control for improving handling performance of a distributed drive electric vehicle especially under normal driving conditions has been proposed. The upper-loop control system consists of two parts: a state feedback controller, which aims to realize the ideal transient response of yaw rate, with a vehicle sideslip angle observer; and a steering wheel angle feedforward controller designed to achieve a desired yaw rate steady gain. Under the restriction of the effect of poles and zeros in the closed-loop transfer function on the system response and the capacity of in-wheel motors, the integrated time and absolute error (ITAE) function is utilized as the cost function in the optimal control to calculate the ideal eigen frequency and damper coefficient of the system and obtain optimal feedback matrix and feedforward matrix. Simulations and experiments with a DDEV under multiple maneuvers are carried out and show the effectiveness of the proposed method: yaw rate rising time is reduced, steady yaw rate gain is increased, vehicle steering characteristic is close to neutral steer and drivers burdens are also reduced. The control system improves vehicle handling performance under normal conditions in both transient and steady response. State feedback control instead of model following control is introduced in the control system so that the sense of control intervention to drivers is relieved.