MFC致动器的动态迟滞模型辨识及补偿控制EI北大核心CSCD

压电宏纤维(marco fiber composite,MFC)具有柔性好、变形能力强的优点,但MFC致动器驱动的柔性臂的迟滞非线性严重影响系统定位精度。提出一种具有非对称性的改进Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型,解决经典PI迟滞模型的缺陷(对称性);该模型基于经典PI迟滞模型,叠加一系列不同权重、不同阈值的双边死区算子获得,基于最小二乘法的迟滞模型辨识结果表明,改进PI迟滞模型对MFC致动器的迟滞建模误差从PI迟滞模型误差的16.06%降到5.58%。另外,建立系统的离散传递函数模型来描述系统的线性动态特性,并与改进PI迟滞模型串联得到组合模型,解决纯迟滞模型仅能描述低频、准静态情况下的迟滞特性问题。在前馈补偿下,对MFC致动的柔性臂进行正弦波轨迹跟踪试验,测得补偿后实测位移与期望跟踪位移基本吻合,跟踪精度达到93.62%以上。试验结果证明,所提出的改进PI迟滞模型、离散传递函数模型及补偿方法的有效性。     

压电宏纤维致动器的双极性非对称迟滞建模及补偿控制

提出了一种双极性非对称改进PI(Bipolar Asymmetric Improved PI,BAIPI)模型描述压电宏纤维(Marco Fiber Composite,MFC)的迟滞特性,BAIPI模型利用经典Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型Play算子加权叠加描述MFC的对称迟滞特性,然后叠加一系列不同权重、不同阈值的双边死区算子描述MFC的双极性非对称特性。实验辨识结果表明:BAIPI模型对MFC致动器的建模误差从PI迟滞模型的16.8%降为4.2%。在基于BAIPI逆模型的前馈补偿下,MFC致动的柔性梁构件跟踪等幅、变幅三角波轨迹的实测位移与期望跟踪位移基本重合,补偿后等幅三角波实测位移与理想位移之间的线性度为2.36%。因此,所提出BAIPI迟滞模型及补偿方法显著提高了MFC致动器的定位驱动和跟踪精度。     

水下大振幅压电纤维致动柔性结构的非线性流体动力特性及实验

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维（Macro Fiber Composite, MFC）致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数化的二维CFD分析了不同特征振动频率及振幅下柔性结构周围流场的分布演化规律,发现随着柔性结构特征振幅增大,其周围流场逐渐出现了涡旋脱落及对流现象,且流体阻尼效应的非线性随之增强。提出了由特征振动频率和振幅共同确定的非线性修正流体动力函数解析表达式,分析结果表明：在小振幅情况下,修正流体动力函数虚部也就是流体阻尼效应随着特征振动频率的增大而减小;而当特征振幅增大到一定值后,流体阻尼效应随着特征振动频率的增大却呈现出先减小后增大的变化规律,具有强烈的非线性特性。开展了水下MFC致动柔性结构振动特性验证实验,证实柔性结构在MFC主动激励下的实测幅频、相频特性与理论预测结果基本一致,验证了所提修正流体动力函数表达式及流固耦合振动模型的有效性。     

压电陶瓷片迟滞补偿建模及悬臂梁主动控制研究

为增强压电悬臂梁振动控制效果,提出一种基于最小二乘法的逆迟滞补偿控制算法。在不同电压下对压电陶瓷片位移进行实测,应用最小二乘法对其迟滞环进行多项式拟合建模,并利用压电片逆迟滞补偿模型对控制电压进行补偿。通过悬臂梁振动主动控制试验系统研究PID控制器在有、无逆迟滞补偿时的控制效果。结果表明:经过PID逆迟滞补偿后的主动控制效果比传统PID提高10.083%。因此,该逆迟滞补偿方法能够有效增强压电陶瓷片的主动控制效果,对于压电悬臂梁振动主动控制具有重要参考价值。     

压电作动器的迟滞非线性建模和实时补偿控制仿真

压电作动器的迟滞非线性不同程度的影响了作动器的性能,降低了系统的稳定性,甚至使得系统不稳定,尤其在振动主动控制应用中,要求系统具有极强的实时性,否则由于相位滞后控制效果将会受到严重影响.在研究了各种迟滞非线性模型和补偿算法的基础上,采用PI迟滞算子对压电作动器建立一个纯现象的模型来准确描述其迟滞现象,参数的线性不等式约束保证了求解的唯一性和模型的可逆性.在此基础上利用PI逆模型设计补偿器来补偿迟滞非线性.仿真结果证明了控制算法的正确性和有效性,并有效抑制了迟滞的影响,保证了理想的跟踪精度.     

压电执行器改进Bouc-Wen模型及其定位补偿控制研究EI北大核心CSCD

针对多数迟滞模型无法描述压电陶瓷执行器(piezoelectric actuator,PEA)的非对称、率相关迟滞非线性,提出一种改进Bouc-Wen(improved Bouc-Wen,IBW)模型并基于提出的IBW模型对其补偿控制进行试验研究。首先,基于传统Bouc-Wen(classical Bouc-Wen,CBW)迟滞模型引入两项非对称项并引入二阶IIR滤波器以精确描述压电陶瓷执行器的迟滞非线性,进一步分析了模型参数值与频率变化规律并修正率相关参数。然后,搭建基于NI CompactRIO测控系统压电陶瓷执行器精密定位试验平台,对提出的IBW模型进行了试验验证并基于IBW模型对其补偿控制进行了试验研究。试验结果表明:IBW模型性能显著优于传统Bouc-Wen模型和增强型Bouc-Wen(enhanced Bouc-Wen,EBW)模型,对于激励频率10~100 Hz多频正弦信号,IBW模型均方根误差相较于CBW模型和EBW模型分别下降了82.07%和62.10%,试验中压电陶瓷执行器实测最大输出位移6.15μm,基于IBW模型所提出复合补偿控制均方根误差为0.039μm,仅为最大输出位移的0.64%,最大跟踪误差仅为0.153μm。若忽略测量噪声,定位误差接近于零,说明所提出的IBW模型及其补偿控制算法有助于实现压电陶瓷执行器的高速、宽频超精密定位及主动振动控制。     

压电复合材料结构的减振/致动性能优化

压电复合材料由于其优越的机械能-电能转换能力,既可用于吸收结构振动能量进行减振,也可施加电压进行致动,但是针对减振与致动性能的设计异同点未被探讨与研究。针对碳纤维-玻璃纤维-压电纤维组成的多层压电复合材料结构的减振及致动性能进行设计与优化,给出了相应的结构铺层建议及优化结果。所设计的复合材料结构包括多层单向混合纤维复合基底和分布式压电片两个主要部分,基底中碳纤维、压电纤维和玻璃纤维对称铺设,压电片贴于基底最外层。基于Euler-Bernoulli梁理论及Hamilton原理推导了压电复合材料结构的机电耦合模型并分析其动力学特性。通过对比不同铺层顺序下结构的减振与致动性能,得到了混合控制结构的最佳铺层顺序。在此基础上,使用遗传算法对分布式压电片贴附位置和整体复合结构中的铺层角度进行优化,分别提升了结构的减振和致动性能。结果表明,分布式压电贴片在最外层时减振效果最好,压电层在内部时致动能力更优。压电贴片的贴附位置优化后,相比于在高应变区贴附的经验布置策略,前三阶模态减振性能分别提升了0.67 dB、0.77 dB及1.87 dB;碳纤维和玻璃纤维铺层角度分别为90.001 5°、53.06...     

局部粘贴压电宏纤维致动器的水下弹性结构机-电-液耦合振动特性EI北大核心CSCD

建立了局部粘贴压电宏纤维致动器(Macro Fiber Composite,MFC)的水下弹性结构机⁃电⁃液耦合振动模型,并开展了MFC激励下的水下弹性结构的频率响应实验。采用混合规则法得到了MFC等效体积单元的等效机电耦合参数。基于假设模态法推导了局部粘贴MFC的欧拉⁃伯努利梁的分段归一化振型函数。结果显示粘贴MFC致动器的主动变形段末端的变形量仅为被动变形段末端的3%,局部粘贴MFC致动器弹性结构的模态振型较匀质等截面梁结构发生了明显变化。建立了包含MFC致动器等效驱动力矩、周围流体水动力载荷及弹性结构振动特性的水下弹性结构机⁃电⁃液耦合振动模型。基于搭建的实验平台,测试得到了MFC不同激励频率下水下弹性结构的频率响应特性,实验结果表明:耦合动力学模型的理论预测结果与结构实际振动的幅频特性和相频特性基本一致,证明了所建立机⁃电⁃液耦合振动模型的有效性。     

MFC驱动主动反射器形面的有限时间动态变形控制EI北大核心CSCD

利用智能压电作动器可实现反射面天线的形面主动调整,提升形面精度和信号传输性能。常规的静态形面控制策略仅能估计作动器的末端电压值,实际电压加载过程易引发柔性反射面结构的瞬态动力学响应和残余振动,难以实现高精度动态形面控制效果,且影响系统稳定性。为此,该研究以宏纤维复合材料(macro fiber composites, MFC)驱动的抛物面形反射器为对象,研究有限时间的动态形面控制算法。首先,基于有限元模型推导控制方程,并将控制问题转化为有限时间的时变LQ终端控制和跟踪控制问题,进而通过求解微分Riccati方程组(differential Riccati equations, DREs)得到反馈–前馈时变控制律。结果表明,利用所提有限时间动态变形控制算法,可实现连续、平滑的反射器动态形面调整效果,避免了电压加载过程激发的结构附加振动,可有效提升这类主动反射器的静态、动态控制性能。     

一种基于压电堆执行器的柔性结构滞后补偿PID控制

采用压电叠堆执行器和PID控制相结合方法解决柔性结构振动问题。提出相位补偿和分频控制相结合的方法分别解决柔性结构中存在的相位滞后和多频激励问题。首先通过有限元分析方法对柔性梁结构进行理论模态分析,并搭建实验系统进行验证,确定系统的主导模态。然后对系统延时进行理论分析,通过实验辨识出激励频率与滞后补偿的函数关系。最后设计基于滞后补偿的分频PID控制器,通过实验验证多频振动激励条件下所设计控制器的振动控制效果。结果表明所设计的滞后补偿PID控制器对相位滞后有较好补偿效果,最大振动衰减可达45%。     

短切芳纶纤维/聚硅氧烷-甲基丙烯酸锌复合材料的结构与性能

为提高聚硅氧烷-甲基丙烯酸锌(ZDMA)树脂材料的性能,采用短切通用型芳纶纤维与聚甲基乙烯基硅氧烷-ZDMA复合并在高温下交联固化,得到短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料.采用SEM、FTIR、拉伸和压缩试验方法、霍普金斯压杆试验方法,表征了短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料的结构和静态力学性能,研究了芳纶...     

具有Hammerstein结构的非对称PI模型的超磁致作动器数学建模EI北大核心CSCD

超磁致作动器(giant magnetostrictive actuator,GMA)作为一种以磁致伸缩材料为核心的智能驱动器,由于其优良的性能而广泛应用于诸多领域中,但是其本身固有的回滞非线性的存在限制了其进一步地发展,因而针对回滞非线性的建模研究一直是该领域的重点。基于Hammerstein结构,应用非对称Prandtl-Ishlinskii(PI)模型来表示Hammerstein结构中的非线性环节,用受控自回归(auto-regressive with exogenous,ARX)模型来表示Hammerstein结构的动态环节(尤其是针对高频信号),并且基于AIC准则的判定过程辨识出了动态系统传递函数的阶次和具体形式,建立了超磁致作动器的一种具有Hammerstein结构的非对称PI模型,并有效地减少了模型辨识参数的数量。试验结果表明,具有Hammerstein结构的非对称PI模型比单一非对称PI模型拥有更高的精度,尤其是针对较大频率的激励信号。     

动态硫化制备多壁碳纳米管/热塑性硫化胶复合材料的相态结构及热电效应

采用动态硫化方法制备了多壁碳纳米管/热塑性硫化胶(MWCNTs/TPV)复合材料,研究了三种动态硫化工艺和MWCNTs用量对MWC-NTs/TPV复合材料的相态结构、介电、导热和物理性能的影响.MWCNTs/TPV复合材料呈现"海岛"结构,IIR橡胶相以微米级交联颗粒分散在PP相中.动态硫化工艺主要影响MWCNTs的分布,MWCNTs在两相中均匀分布的MWCNTs/TPV复合材料具有较高的热电性能.当MWC-NTs含量达到渗流阈值(3％(质量分数,下同))时,形成MWCNTs网络结构,MWCNTs/TPV复合材料的交流电导率、介电常数和热导率急剧增加.随着MWCNTs含量的增加,MWCNTs/TPV复合材料的弹性模量逐渐增大,拉伸强度先增大后减小;MWCNTs能够提高TPV基体的界面结合力,与纯TPV相比,当MWCNTs的含量为3％时,MWCNTs/TPV复合材料的拉伸强度提高39％.基于MWCNTs/TPV复合材料的相态结构以及MWCNTs的渗流阈值提出MWCNTs网络结构,分散在PP基体中和两相界面处的MWCNTs相互搭接形成MWCNTs网络结构.     

PHBV/PPC反应共混物的热性能与动态力学性能及形态结构

将甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的聚(β-羟基丁酸酯-co-β-羟基戊酸酯)(PHBV-GMA)与马来酸酐封端的聚碳酸亚丙酯(MA-PPC)反应性共混。采用差示扫描量热仪、动态力学分析仪和偏光显微镜分别研究了共混物的热性能、动态力学性能和形态结构。结果发现,通过反应接枝,MA-PPC降低了PHBV的结晶度,阻碍了PHBV的结晶,PHBV部分扩散进入MA-PPC相区。PHBV球晶尺寸降低,PHBV和MA-PPC共混组分的相容性得以改善。