基于特征模型的压电悬臂板振动控制

航天器上悬臂板型挠性附件在扰动作用下将引起包括弯曲和扭转模态的振动,这将影响系统的稳定性和控制精度,尤其是在平衡点附近低频模态频率上的小幅值残余振动很难快速抑制。为了快速抑制压电智能挠性悬臂板系统,包括弯曲和扭转模态的振动,提出采用基于特征模型的非线性黄金分割自适应控制,组合非线性切换逻辑积分阻尼器算法。首先,优化配置压电传感器和驱动器实现了悬臂板的弯曲和扭转模态在检测和驱动上的解耦;其次,设计并建立压电挠性悬臂板试验平台,进行试验模态辨识并获得了悬臂板系统弯曲和扭转振动的模态频率和频响特性;最后,进行压电智能悬臂板的弯曲和扭转振动模态主动振动几种方法试验的比较研究。试验结果表明,采用的控制方法能够快速地抑制压电智能挠性悬臂板的振动。     

综合模态H2范数下致动器/传感器的优化配置

致动器/传感器的优化配置问题是智能柔性结构振动主动控制中的关键技术问题,基于模态空间H_2范数研究了智能柔性梁系统中压电致动器/传感器的优化配置问题。根据Rayleigh-Ritz理论建立了系统的动力学方程并得到其状态空间表达式。提出了一种衡量系统能控/能观性并考虑模态权重的综合模态H_2范数准则,采用改进遗传算法研究系统中并置致动器/传感器的优化配置问题,得到了系统多个模态、综合模态H_2范数最优的致动器/传感器布局结果。实验结果表明,利用优化结果进行致动器/传感器的布局,系统单个模态和综合模态均具有较好的检测和控制效果,被控模态具有较好的能控/能观性,所提出的优化准则和优化方法是可行的。     

高速弹性连杆机构振动的鲁棒H∞控制

在含有压电元件的弹性机构振动主动控制有限元模型的基础上，基于复模态理论，研究了高速机构的鲁棒H∞振动主动控制问题，给出了时变系统在模态截断下的输出反馈控制器设计方法。该方法可有效抑制系统的持续干扰，并可以解决由于模态截断引起的控制溢出问题。针对一曲柄摇杆机构的仿真计算表明，本方法可以有效地控制系统的在线弹性振动，同时系统原低阶谐振现象也得到了较好的控制。     

Robust-optimal active vibration controllers design for the uncertain flexible mechanical systems possessing integrity via genetic algorithm

In this paper, a robust-optimal control approach is proposed to treat the active vibration control (or active vibration suppression) problem of flexible mechanical systems under mode truncation, linear time-varying parameter uncertainties in both the controlled and residual parts, feedback gain perturbations, estimator gain perturbations and partial actuator failures. A sufficient condition is proposed to ensure that the flexible mechanical systems with time-varying structured parameter uncertainties are asymptotically stable against partial actuator failures. Systems which have such a property of keeping stable under partial actuator failures are said to possess integrity, and this is an inherent property of MIMO systems. Based on the robust stability constraint and the minimization of a defined H₂ performance, a hybrid Taguchi-genetic algorithm (HTGA) is applied to solve the optimal state feedback controller and observer design problem of uncertain flexible mechanical systems. A design example of a flexible rotor system is given to demonstrate the applicability of the proposed approach. It is shown that the proposed approach can obtain satisfactory results.     

Robust observer-based OMF vibration control of flexible linkage mechanisms using piezoelectric films

Based on the state-space model of the flexible linkage mechanism equipped with piezoelectric films, a robust control methodology for actively suppressing the elastodynamic responses of the high-speed flexible linkage mechanism with linear structured time-varying parameter perturbations by employing an observer-based optimal model-following (OMF) controller is presented. The advantage of the proposed robust observer-based OMF control methodology is that it not only can avoid the problem of how to choose the appropriate weighting matrices in the quadratic cost function of the linear-quadratic/linear-quadratic-Gaussian (LQ/LQG) control method but also can make the controlled closed-loop system to have the specified system response characteristics. Besides, in order to guarantee that the designed observer-based OMF controller can make the controlled flexible linkage mechanism system to avoid the possibilities of both spillover-induced instability and time-varying-parameter-perturbation-induced instability, a robust stability criterion is also presented in this paper. The control method, presented in this paper, can not only make the controlled closed-loop system to have the specified system response characteristics, but also guarantee the controlled closed-loop system to have robust stability properties by using the proposed robust stability criterion; while those control methods reported recently do not have these above-mentioned merits. Finally, an active robust vibration control problem of a slider-crank mechanism is provided for illustrating the applicability of the proposed method.     

高速弹性连杆机构振动的几种主动控制器设计方法比较研究

在含有压电元件的弹性机构振动有限元模型的基础上,基于复模态理论,研究了高速机构的振动主动控制问题。给出了三种控制器设计方法：缩敛模态控制、经典H ∞控制和鲁棒H ∞控制,并对它们在连杆机构振动控制中的性能进行了比较。针对一曲柄摇杆机构的仿真计算表明,3种方法都可以有效地控制系统的在线弹性振动。对比显示,缩敛模态控制在提高系统的模态主动阻尼方面有优势,而鲁棒H ∞控制可以有效解决由于模态截断引起的溢出问题。     

双柔性臂机器人的建模和主动振动控制

针对双柔性臂机器人在操作过程中出现的结构振动和残余振动影响控制精度的问题,提出了采用多组压电换能器对柔性臂进行主动振动的控制方法.设计了基于超声电机驱动的双柔性臂机器人,采用拉格朗日法和假设模态法对双柔性臂进行了动力学建模,并考虑了在协作搬运过程中双柔性臂机器人需要满足的闭链约束条件.提出了采用独立关节PD反馈控制器和正位置反馈控制器相结合的混合控制方法.Matlab仿真表明,所提出的混合控制器能使柔性机器人在准确完成目标物体轨迹运动的同时,实现对柔性臂的振动抑制,提高了双柔性臂机器人的搬运精度和效率.     

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.     

Root locus approach to a distributed parameter vibrating system with both bending and torsion motions

In this work, root locus technique is used to study the active damping effects of a flexible structure governed by Euler—Bernoulli model including both bending and torsion motions. Two force actuators and three moment actuators are located at the beam tip (antenna), together with five rate sensors. It is found that with sufficiently large gain, at most, the vibration corresponding to the first five frequencies (ω₁, …, ω₅) can be completely eliminated, and none of the other frequencies can possibly be eliminated. These five frequencies correspond to two bending modes in the x-z plane, two bending modes in the y-z plane and one torsion mode. The root locus indicates that while active damping is effective only to low frequency vibrations, it excites all other modes even if only one mode is involved initially. Finally, the sensor noise rejection phenomenon is studied and it is found that the beam tip torsion motion completely rejects any zero-average periodic disturbance with period 2L/c, where L is the beam length and c is certain constant depending upon the beam material.     

柔性冗余度机器人残余振动随机最优控制

研究柔性冗余度机器人的残余振动主动控制问题。设计了具有压电作动器与应变传感器的机敏杆件,建立了计入随机干扰的受控系统状态空间表达式。采用极小值原理设计了线性二次型高斯状态反馈控制器（LQG）,并基于最优估计理论设计了连续Kalman滤波器。最后,以平面3R柔性冗余度机器人为例进行了计算机仿真,其结果证明了这种主动控制方法的有效性。     

柔性自适应桁架结构的振动控制方法实验研究

为提高结构对外部环境的抗干扰能力,构造了空间柔性自适应桁架结构,并对其主动控制进行了研究。通过加速度传感器测量位移的实验,建立了由dSPACE数据采集与处理系统、压电传感器、压电作动器、桁架结构和微机实时测控组成的实时计算机控制系统。基于自适应桁架结构的有限元理论,采用改进的二次积分力反馈控制方法,研究了空间柔性自适应桁架结构的振动主动控制问题。通过正弦激励进行了实时控制实验,给出了控制前后节点18x方向的位移振幅抑制变化情况及功率谱响应曲线。实验研究结果表明,该控制方案对空间柔性结构的低频大幅振动有很好的控制效果。     

基于机敏材料的冗余度柔性机器人弹性动力响应最优控制

为了改善冗余度柔性机器人的动力学品质,采用了振动主动控制方法。设计了具有压电作动器与应变传感器的机敏连杆,构造了冗余度柔性机器人振动主动控制系统的状态空间表达式。利用独立模态空间控制理论设计状态反馈控制器,获得了压电作动器的实际控制电压,并根据连杆中点的应变信号对系统状态进行了近似估计。最后,以平面3R冗余度柔性机器人为例进行了计算机仿真,其结果证明了这种振动主动控制方法的有效性。     

基于压电悬臂梁的驱动器与传感器性能分析的精确解析模型

三层压电梁结构在电场作用下发生变形后会产生诱发电势,进而改变材料整体电势分布,本文考虑此变形和电势耦合效应,基于欧拉-伯努利梁变形理论,推导出能够准确预测压电智能悬臂梁传感器与驱动器性能的解析表达式。考虑压电梁结构弯曲变形后产生的电场影响,建立了三层压电梁结构的控制方程;建立了压电梁作为驱动器时端部输出位移、驱动力矩与输入电压之间联系的解析表达式,以及作为传感器时输出电压与端部作用力之间联系的解析表达式。通过与ANSYS有限元模拟结果以及传统的驱动器和传感器性能表达式的对比,验证了所推导的解析表达式的准确性。     

压电智能悬臂梁的压电片位置、尺寸及控制融合优化设计

对压电智能悬臂梁振动控制中的压电片的位置、尺寸及其控制参数进行研究.在对压电片和基板的耦合特性进行分析的基础上,建立智能悬臂梁的压电传感、致动方程及基于闭环控制系统的状态方程,并以系统的存留能量作为目标函数,建立压电智能悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数的优化模型及一阶灵敏度分析表达式,并采用移动渐进线法(Method of moving asymptotes,MMA)对模型进行求解.采用Simulink对优化结果的动态响应特性进行仿真分析,仿真结果表明,采用提出的优化模型及算法对悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数进行优化是合理的.     

压电智能悬臂梁结构振动主动控制仿真

为了提高LQR最优控制方法对压电类智能结构的振动控制效果,推导了表面离散分布压电元件的柔性悬臂梁结构的驱动和传感方程以及梁的弯曲振动方程,用模态分析方法对方程进行解耦和模型降阶,建立控制系统的状态空间方程。利用有限元分析方法来衡量压电元件对梁固有特性的影响,对状态空间方程的自振频率和振型函数进行修正,得到更为精确的数学模型。通过一悬臂梁的LQR最优控制仿真实例表明,经过模型修正后的最优振动控制效果更好。     

一种新型两自由度柔性并联机械手的主动振动控制及其仿真

针对一种新型两自由度柔性并联机械手,在含有压电元件的有限元模型基础上,基于模态理论和滑模变结构理论,研究其振动主动控制问题。采用有限元法和模态理论建立系统的动力学模型。根据系统的性能要求,采用最优化方法确定滑移面,基于Lyapunov直接法设计滑模控制器。控制器能对系统的前几阶模态实施控制,实现机械手的振动主动控制。仿真结果表明,该控制器可有效地抑制柔性构件产生的弹性振动,减小并联机械手动平台的位置误差,从而验证了该控制器的可行性和有效性。     

微型压电单晶俘能器研究

建立了一曲梁压电单晶MEMS压电俘能器的分析模型.利用曲梁理论建立该矩形截面梁的动力学方程.采用ANSYS软件对该曲梁的结构参数进行了初步的分析.分析结果表明压电曲梁的第一阶谐振频率与其结构尺寸之间存在较复杂的关系.该仿真结果可为压电俘能器的设计提供参考.     

悬臂压电叠层复合梁的弯曲振动固有频率

压电叠层复合梁是一种三叠片对称结构。这里以压电陶瓷-金属-压电陶瓷复合结构为研究对象,给出了悬臂式对称压电复合结构的压电振子弯曲振动共振频率表达式,并建立了相应的有限元模型;计算分析了压电陶瓷-金属复合梁弯曲振动的固有频率值与几何尺寸之间的关系,并与相应的有限元模态分析结果进行了比较。结果表明,两种分析方法得到的压电振子的固有频率值基本符合,计算公式和模型是精确有效的;压电叠层复合梁愈细长则表达式的计算结果愈准确。     

基于压电元件的振动主动控制

对配置压电元件作为传感器、驱动器,基于自适应滤波技术的柔性结构主动振动控制进行了实验研究。介绍了压电传感器、驱动器原理及其检测、驱动电路,阐述了自适应控制的基本原理,导出了控制算法,并介绍了控制系统构成,实验结果验证了本文所述方法的有效性。     

压电智能结构的柔性梁振动主动控制系统仿真

针对材料的共振会对系统的稳定性和精度产生不良影响的问题,采用压电智能结构,使用两路独立电源驱动两组压电陶瓷片,电路的工作频率调整为光纤智能梁的共振频率,并以光栅光纤为传感器,应用Matlab的仿真工具箱研究了环氧树脂柔性梁振动的主动控制技术,建立了振动主动控制系统实验平台并进行了仿真。研究结果表明,本实验系统能够抑制柔性梁在共振频率附近的共振峰幅值,达到主动控制效果。