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.     

时变轴系纵向振动的主动控制

船舶推进轴系的纵向支撑刚度会随轴速的变化而发生较大变化,使得螺旋桨干扰力引起的轴系振动变为时变振动。本文先建立推进轴系的纵向振动模型,并通过频响综合的方法求得控制通道和干扰通道的频响函数,分析不同刚度参数下系统的动态特性变化。其次,提出在线辨识控制通道模型的滤波自适应控制方法,消除模型误差对纵向振动控制稳定性的影响。为验证控制方法的有效性,对建立的模型进行数值仿真,仿真结果表明,在单频和多频干扰下,提出的控制算法均能有效抑制推力轴承的纵向振动。     

漂浮基柔性空间机械臂关节运动的拟增广自适应控制及柔性振动实时主动抑制

讨论了载体位置、姿态均不受控情况下,自由漂浮柔性空间机械臂系统关节运动的拟增广自适应控制和柔性振动实时主动抑制问题。此类机器人系统的特点在于:结合系统动量及动量矩守恒关系得到的完全能控形式的系统动力学方程,关于系统惯性参数不符合惯常的线性函数关系,因此地面机器人的控制方法在此难以直接推广应用。为了克服上述难点,我们仅将系统动量守恒关系耦合到系统动力学方程当中,而不耦合系统动量矩守恒关系,结果得到一组欠驱动形式的系统动力学方程。其优点在于,系统动力学方程关于一组组合惯性参数保持惯常的线性函数关系。以此为基础,设计了具有未知参数柔性空间机械臂关节轨迹跟踪的拟增广自适应控制方案。并根据柔性子系统的动力学特性,设计了一个基于反馈的自适应控制方案来对柔性杆的振动进行快速实时的抑制。所提出的控制方案还具有不需要测量、反馈载体位置、移动速度和移动加速度的显著优点。系统的数值仿真,证实了方法的有效性。     

基于DNA遗传算法的气动驱动柔性梁振动控制

采用气动脉冲码调制(Pulse Code Modulation,PCM)方式,给出一种基于有杆气缸驱动进行压电柔性梁振动控制系统。考虑到系统的复杂性,采用DNA-GA进行参数自适应整定控制。首先,介绍气动系统和控制回路;利用系统模型进行了能控性和基于性能指标函数控制算法的稳定性分析。其次,阐述了DNA-GA进行控制参数优化的原理和方法,进行了数学仿真研究。最后,建立了试验装置,进行同时气动定位和振动控制试验研究。理论分析、仿真和试验研究结果表明,采用DNA-GA参数自适应整定控制算法可改善控制系统动态性能,有效抑制柔性梁的大幅值低频模态振动。     

线性回归模型中的递推辨识及其应用

摘要：因机械系统振动响应离散差分方程可以改写为关于结构模态参数的线性回归形式,对于此线性回归形式中的结构模态参数的辨识问题可转化为系统辨识理论中线性回归模型的未知参数矢量的辨识估计问题。当系统对象在白噪声激励下,常规的最小二乘辨识法可以给出参数估计的无偏估计。当系统对象在有色噪声作用下,在常规最小二乘辨识法的基础上提出一种新的可分离迭代最小二乘辨识法。在缺乏关于噪声的统计先验信息,仅有噪声为未知但有界的情况下,提出一种带死区的最小二乘辨识法,该辨识法不仅能给出未知参数矢量的一致性无偏估计,而且还能保证参数估计值逐渐向真值靠拢,任何相邻两估计值之间的逼近程度远远小于噪声的上界。在有界噪声出现的情况下,该算法的鲁棒性可以通过在参数修正方程中引入死区的方法来增强。最后用理论上的仿真算例和弹簧-质量-阻尼系统的振动响应来验证两方法的有效性和可行性。     

电动振动台模型辨识方法及其应用的研究

电动振动台是振动与冲击环境试验的主设备,对其模型的辨识与估计是开展振动控制技术研究和振动试验仿真的必要环节。本文基于电动振动台的动力学和电学耦合模型,提出了一种以冲击信号作为激励的振动台模型传递函数进行系统辨识与参数估计的方法。并应用其模型参数完成了冲击波形的生成。仿真结果与试验结果一致性很好,表明本文所提出的模型辨识方法有效可行,对电动振动台试验波形的生成具有一定的实用价值     

次级通道在线辨识的齿轮啮合振动主动控制

针对齿轮传动系统中由于啮合误差产生的周期性振动和噪声,构建在从动齿轮轴上附加压电作动器的齿轮主动结构,提出一种次级通道在线辨识的反馈FxLMS算法进行主动控制。应用C-MEX S函数在Simulink中编写了FxLMS算法模块和次级通道进行在线建模的自适应LMS算法模块,仿真算例验证了自建模块的正确性和算法的有效性。将控制算法代码下载到dSPACE中作为控制器,与内置压电作动器的齿轮主动结构组成硬件在环系统进行实验验证。结果表明,在不同啮合频率下,经过主动控制后的齿轮传动系统振动有了不同程度的减弱,在啮合频率基频处有6.9dB的衰减。     

带挠性附件卫星转动惯量的在轨辨识

针对大型卫星的挠性附件振动会影响质量特性参数辨识精度和准确性的问题,提出了带挠性附件卫星转动惯量参数在轨辨识的递推算法。基于带挠性附件卫星动力学模型,导出了转动惯量参数辨识的最小二乘描述形式;与挠性附件振动模态估计的卡尔曼滤波算法相结合,提出了一种适用于带挠性附件卫星转动惯量参数辨识的并发递推算法。通过仿真算例验证了卫星挠性附件振动对转动惯量参数辨识的影响和文中递推算法的有效性。     

多频未知时变扰动下的结构微振动鲁棒自适应控制

本文针对多频窄带未知和时变扰动,基于内模原理和Y-K参数化方法,提出一种反馈鲁棒自适应振动的主动控制算法。该算法通过设计PID中央鲁棒控制器,有效解决了次级通道模型未知情况下的鲁棒控制器参数设计问题。同时提出一种变步长最小均方（Variable Step Size Least Mean Square,VSSLMS）方法,可以在保证稳态误差的基础上大幅提升收敛速度,并通过系统辨识实验验证了所提VSSLMS方法相较于其他VSSLMS算法在收敛性能上的优越性。通过结构微振动主动控制实时实验,对比验证了单独采用滤波x最小均方（Least Mean Square,LMS）自适应控制算法、基于LMS算法的鲁棒自适应控制算法和基于VSSLMS算法的鲁棒自适应控制算法的抑振效果。实验结果表明,本文基于VSSLMS算法的鲁棒自适应控制算法在面向双频正弦窄带扰动以及其频谱、幅值突变情况时,都具有较好的收敛性和鲁棒性。     

齿轮非线性动力系统的振动功率流分析

针对一对含侧隙、具有时变啮合刚度的非线性齿轮系统动力学模型,通过对该系统的振源功率进行分析,推导了系统振动功率流的时域仿真算法,探讨了决定系统功率流水平的主要因素。并综合运用点映射和胞映射方法,分析比较了系统对不同参数连续变化的分岔图和功率流图谱,研究了参数变化对功率流的影响,以期为将功率流理论应用于非线性齿轮啮合系统提供参考。     

星轮偏心误差对浮动式星型齿轮传动动态特性的影响

以太阳轮浮动式星型齿轮传动系统为研究对象,基于集中参数理论,建立了星型传动广义动力学模型,建模中考虑了齿轮制造偏心误差、时变啮合刚度以及间隙浮动机构等因素。采用数值解法对系统的动力学微分方程进行求解,获得了系统的受迫振动响应,利用时间历程、相平面、Poincare截面图及Fourier频谱分析了系统的动态特性。着重研究各星轮偏心误差及间隙浮动机构对星型轮系动态特性的影响规律。结果表明:星轮偏心误差增强了系统振动;不同位置、不同数量的星轮偏心误差作用,对应的系统动态响应不同;间隙浮动结构影响了系统的稳定性,不利于振动噪声的控制。     

索-梁组合结构非线性时滞减振研究

采用时滞减振技术对索-梁组合结构进行了振动控制分析。通过Hamilton原理建立了索-梁组合结构的运动控制方程,引入时滞减振技术,应用多尺度摄动方法得到了主共振和1/3亚谐波共振的解的近似表达式。结果表明,时滞减振技术的两个主要参数时滞和控制增益能有效调节阻尼和频率。通过调节控制增益和时滞值,可增大阻尼比,避免共振域,从而对索-梁组合结构实现减振。     

考虑索间作用的斜拉桥耦合振动研究

为了研究几何非线性条件下斜拉桥索梁耦合振动与索间作用问题,以两条斜拉索与简支梁组合体系为简化模型,利用D’Alembert原理建立考虑初始垂度的索梁体系非线性偏微分方程,设定索的前两阶复合振动模态与梁的基本模态,运用Galerkin方法将其离散为二阶常微分方程,并使用四阶—五阶Runge-Kutta方法对索与梁的振动响应进行了数值分析。结果表明:在双索单梁组合结构中,特定频率条件下一阶模态与主梁强烈耦合,二阶模态与主梁小程度耦合;与单梁单索结构相比,多索导致主梁频率增大,索间作用使得索振幅增大、拍频降低,面内一阶模态对索梁变化更敏感;当索梁频率不变时,索间作用对耦合振动产生的索大幅振动有明显抑制作用,且索梁结构对主梁初位移变化更敏感。     

可变磁路式永磁悬浮系统刚度特性分析及变刚度控制

针对可变磁路式永磁悬浮系统的悬浮力非线性变化的特点,分析系统的刚度特性,提出变刚度控制方法减小系统对外扰作用的敏感度。基于系统力学模型分析了系统结构和控制参数对悬浮刚度的影响,提出了基于悬浮物位移的变刚度控制方法;根据预设的载荷能力和位移变化量,设计参数的变化范围,使系统刚度按设定控制规律发生变化;进行了系统起浮稳定性与系统对外扰敏感度的仿真与实验分析,并与传统PID控制方法进行对比,仿真与实验结果表明:变刚度控制方法能够保证系统稳定起浮,并使外载荷作用时悬浮物的位移变化量减小50%,极大降低了系统对外扰的敏感度,相对于传统PID控制方法其控制特性有较大幅度提高。     

分散式自适应主动隔振控制算法研究

针对主动隔振中次级通道耦合会影响传统FXLMS算法稳定性问题,提出一种分散式解耦优化控制算法。主要是更新控制滤波器系数时忽略作动器与非临近传感器间的耦合,将多通道控制系统简化为多个并联的单通道控制系统,能降低算法运算量。但在一定程度上也会降低系统的收敛速度,为此,在辨识矩阵的估计模型中引入了作动器与非临近传感器之间的反馈补偿因子。仿真和试验结果表明,该算法可有效降低运算量,提高收敛速度和控制精度,双频线谱激励控制效果显著,振动衰减分别可达24.5 dB和12.4 dB。     

基于希尔伯特变换的舵机系统间隙参数辨识及试验方法

针对舵机间隙参数辨识问题,设计了间隙可调的试验装置模拟舵机传动机构的间隙,以静载突卸方式使其产生自由振动,应用基于希尔伯特变换的自由振动分析方法得到双折线弹性力曲线并辨识间隙参数。并进一步应用于真实飞行器舵机间隙的辨识中。该试验方法获取的振动数据信噪比良好;辨识结果表明本文方法可更为准确的识别出舵机间隙参数,工程评估结果更为安全,对于小型舵机具有良好的适用性。     

耦合吸振器的正负刚度并联系统的隔振性能研究

基于动力吸振原理,设计了耦合线性吸振器的正负刚度并联隔振系统。建立了系统的动力学方程,运用平均法进行解析求解,推导了动态响应频域解析解和传递率表达式,数值分析了吸振器的质量、刚度和阻尼对耦合系统隔振性能的影响规律,并与正负刚度并联系统进行了比较。结果表明,选择合适参数的吸振器,可在保有正负刚度并联系统的优良隔振性能的基础上,降低一定频域内被隔振体的振幅,减小系统起始隔振频率,扩大隔振频带宽,改善低频隔振效果。     

大型风力机系统运行模态分析研究

针对大型风力机在风轮静止、变速转动下振动模态及变化特点,研究弹性变形、惯性及陀螺效应引起的系统各阶模态变化及对系统气弹稳定性影响。通过研究现有线性特征值分析方法,考虑大型风力机非线性特性及风轮转动所致系统时变特性,基于多体系统动力学理论及混合多体系统HMBS (Hybrid Multi-body Systems)建模方法,结合动力学分析软件ADAMS,分析静止状态整机系统线性特征值问题;考虑构件弹性变形及风轮旋转,用刚性积分方法对系统非线性控制方程进行数值求解,通过傅里叶谱分析方法实现风轮旋转下系统运转模态识别,并讨论、分析系统前十阶模态变化及影响因素。研究结果可作为风力机系统气弹稳定性判据,为避免共振、提高系统运行效率等提供有效的解决手段及分析方法。     

基于宽频-多模态的复合俘能器的解析模型与实验研究

为提高单频压电振动俘能器的能量转换效率和工作频带,结合压电和电磁能量转换机制,提出了一种新的混合俘能器系统。该系统由PZT悬臂梁、弹性悬挂磁铁块、粘附于悬臂梁末端磁铁块及谐振器等组成,引入谐振器及磁铁可实现增加系统模态数量和非线性。基于此混合振动俘能器建立了改进型连续体机电耦合解析模型,并由龙格-库塔算法进行了求解。在此基础上,研制了振动俘能器原理样机,并搭建了实验系统,通过实验和解析评估方法完成了单一式和复合式俘能器性能比对和评估;研究表明,所研究的混合型振动俘能器相对常规振动能量俘集原理可实现较宽的频率范围及多模态振动能量俘集,且能量俘集效率明显提高,具有较好的应用前景。     

基于周期性激励的采煤机机电液截割传动系统特性分析

根据采煤机机电液截割传动系统的结构特点,考虑柱塞泵的流量脉动和齿轮传动系统的时变刚度,建立了包括泵和齿轮在内的传动系统机电液耦合模型。以流量脉动作为齿轮传动系统外部激励,以时变啮合刚度作为齿轮传动系统内部激励,基于内外部激励对采煤机机电液截割传动系统进行特性分析。结果表明:泵流量脉动对齿轮系统振动与动力学特性都有影响,且流量脉动作为外部激励是影响齿轮系统动力学特性的主要因素;考虑泵流量脉动后,马达输出呈现转矩脉动,截割传动系统总效率下降。