飞机典型壁板结构主动振动控制试验研究

压电材料的机电耦合特性使其在智能结构和振动控制中得到了广泛的应用。本文中以压电材料作为传感器和作动器,选用飞机壁板为控制对象,在Patran中对控制对象建立了有限元模型,利用Nastran对建立的模型数据进行了计算,分析出了壁板各阶模态的最大应变位置。根据分析结果在壁板合理位置上粘贴多片压电陶瓷片,运用基于Filter-X LMS(Least Means Squares)自适应算法对壁板进行了单模态和多模态的主动控制试验并取得了良好的控制效果,1阶模态降低了约10 dB,2阶模态降低了约5 dB。     

基于压电纤维复合材料的抖振主动控制研究

压电纤维复合材料(MFC)在气动弹性抖振控制中具有很好的应用前景。对MFC驱动器采用载荷比拟方法进行建模,使用偶极子格网法模拟空气动力,利用速度负反馈算法设计控制律。研究了气流速度对垂尾固有特性的影响以及抖振主动控制的控制机理。结果表明:气流速度会影响垂尾固有特性的变化;颤振速度前附加气动力中以包含与速度反相的部分为主,对系统起到附加阻尼的作用;压电驱动力在颤振速度前甚至可以对抖振闭环系统做正功,但却能够激发附加气动力消耗更多的能量,从而使系统总耗能增大。研究结果可为实际抖振主动控制及应用提供参考。     

一种新型压电作动器及在结构振动主动控制中的应用

针对传统压电片作动器直接粘贴到被控结构表面时受到的各种限制,文中提出并设计制作一种新颖的弓型压电作动器.该作动器由一个弓型梁座和粘贴于其上的压电片构成,使用时将弓型梁座粘贴于被控结构上,压电片驱动弓型梁弯曲变形,进而对被控结构产生作动.随后将其应用在弹性梁振动主动控制中,以验证这种新型作动器的可行性和有效性.采用热弹性比拟方法建立带弓型压电作动器的悬臂梁振动主动控制系统的状态空间模型,采用LQR(linear-quadratic regulator)方法进行控制器设计.基于dSPACE硬件在线控制仿真系统,进行悬臂梁振动的主动控制实验,并对这种新型压电作动器与传统压电片作动器的振动控制效能进行实验对比.实验结果表明,这种弓型压电作动器具有良好的作动效能和安装方便灵活、可重复使用等优点.     

柔性耦合系统主动隔振策略研究

针对设备上楼的柔性安装问题,把设备的安装基础建模为柔性基础,建立了柔性基础　上主动隔振系统模型,考虑了设备、隔振器、作动器和柔性基础的耦合作用,用传递导纳来　描述作动器的控制力,采用导纳综合法推求了主被动隔振的统一的功率流传递控制式,探讨　了ＰＩＤ等控制方法的主动控制策略,从而实现了控制ＦＢＲＥ系统若干阶模态振动的目的。     

基于模态空间H_2范数的压电柔性梁结构动力学模型降阶

利用模态的空间H2范数作为各个模态对多输入-无限维空间分布输出的压电柔性梁结构动力响应贡献大小的度量,并给出了一种根据各个模态对结构动力响应的贡献大小,对带有多个压电作动器块、输出为空间分布的柔性结构进行模态挑选而获得降阶模型的方法。最后以柔性简支梁结构为例给出了仿真结果,并与常规的模态截断方法进行了比较。     

飞行器垂直尾翼H∞鲁棒振动主动控制

以飞行器垂直尾翼模型为研究对象,将H∞鲁棒控制理论的混和灵敏度方法用于解决尾翼模型的多模态振动主动控制问题.通过对垂尾振动控制系统不确定性分析,选择了权函数,设计了H∞控制器并对控制器进行了适当的降阶处理,并对垂尾模型的多模态振动控制进行了主动控制试验.结果表明,结构前三阶模态振动(模态频率分别为3 Hz,5,7 Hz和27Hz)的振幅分别降低了11 dB,11 dB和2 dB,取得了较好的控制效果,验证了H∞控制理论应用于垂尾结构多模态振动主动控制的可行性和有效性.     

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.     

风洞模型主动抑振器的设计与实验

研究了风洞模型主动振动的抑制原理,并结合叠堆式压电陶瓷作动器的压电效应设计了一套并联式主动抑振器。首先,针对模型支杆系统及其动力学特征,分析了支杆抑振原理,提出了一种基于叠堆式压电陶瓷作动器的风洞模型抑振器。然后,构建了抑振器实时控制系统,针对其驱动位移滞后的特点,研究了基于PD调节器的控制方法。最后,搭建了地面实验平台,利用锤击法和激振法对抑振器进行了地面实验。实验结果表明:抑振器具有提高支杆系统阻尼的能力,对风洞模型在俯仰和偏航两个方向上的抑振效果明显,特别是俯仰方向上,抑制器工作后系统阻尼比可由0.009提高到0.092,抑振后剩余振幅比例约为25%。试验结果验证了该风洞模型主动抑振器的可行性与有效性。     

电动静液压主动悬架的内模-Smith时滞补偿控制

提出一种内模-Smith时滞补偿控制方法进行电动静液压主动悬架的时滞控制。对电动静液压作动器(Electro-Hydrostatic Actuator,EHA)进行了响应特性试验,采用一维线性插值方法对试验数据进行了模型拟合,并得到了含纯时滞的作动器简化模型。针对作动器的惯性响应设计了内模控制器,利用一阶泰勒表达式转化成了PID控制器形式;将作动器的纯时滞视为理想主动力的时滞,设计了Smith时滞补偿控制器。搭建了EHA主动悬架的内模-Smith时滞补偿控制仿真模型,并进行了仿真分析。结果表明,内模-Smith时滞补偿控制能使作动器输出的主动力在时间上得到较好的控制,明显改善了主动悬架的动态性能。     

周期性机械振动主动控制算法

为提高周期性机械装置的隔振性能,减少其对底座(或地面)及周围环境的影响,采用由弹性橡胶和压电堆作动器组成的主动悬置(active control mount, ACM).针对压电堆作动器输出位移较小的情况,设计液压位移放大机构.通过对压电作动器和橡胶主簧性能的分析,建立由主动悬置构成的隔振系统的力学模型.周期性机械振动系统,其周期振动信号可用作控制同步信号,因此控制系统采用基于同步滤波-X LMS(least mean square)算法的自适应控制策略,传递到机座的残余力作为误差信号,实现对周期性机械振动系统的主动控制.计算机仿真实验结果表明,采用这种主动悬置和同步滤波-X LMS算法的主动控制系统,相对于采用普通橡胶悬置的被动系统,明显减少了对底座的力传递,减振效果明显.     

飞机抖振试飞方法研究

首先介绍了抖振发生的机理,及对飞机结构的影响,指出了飞机抖振边界试飞的目的。在总结对比抖振试飞方法的基础上,提出了适合飞机抖振的试飞方法收敛转弯法。在机翼不同位置安装振动传感器,对试飞数据进行均方根分析和自功率谱分析的基础上建立抖振响应和迎角的关系,发现抖振响应主要集中于机翼二阶模态频率,确定了抖振初始迎角,综合各个飞行状态的数据,得到了飞机的抖振边界,为今后飞机的抖振试飞提供了很好的借鉴。     

基于μ综合的压电柔性结构振动主动控制

利用模态理论和μ综合方法,对智能柔性悬臂梁进行振动主动控制研究。以压电陶瓷为作动器,电阻应变计为传感器,采用有限元方法和实验模态测试方法建立结构动力学模型,对两种方法所得结果进行比较分析可知有限元模型与实际系统存在误差。考虑外部扰动和量测噪声的不确定性,同时考虑系统固有频率、阻尼比和作动器参数的不确定性,选择模态位移信号为评价量,根据信号的频率特性选择合适的加权函数,利用μ综合方法设计振动控制器。从频域角度分析控制器的有效性,结果表明该控制器能抑制不确定干扰对输出应变的影响,能在系统不确定性情况下满足控制要求,说明控制器具有鲁棒性。进行了振动主动控制实验研究,结果表明,所设计的控制器能有效抑制结构的振动响应。     

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。     

基于光-压电的非接触式弹性圆环独立模态控制

在接近紫外波长的高能光束均匀照射下,极化的镧改性锆钛酸铅(PbLaZrTi,PLZT)铁电陶瓷具有反常的光生伏特效应,即在两极间会产生很高的电压。利用此电压信号来驱动层合于柔性板壳结构的压电作动器,可以实现对柔性板壳结构的非接触式控制。为实现弹性圆环的非接触式独立模态控制,利用模态展开技术及振型函数的正交性设计余弦状正交模态作动器,并利用PLZT产生的电压来驱动层合于圆环上的聚偏二氟乙烯(Polymeric polyvinylidene fluoride,PVDF)压电模态作动器。在控制策略上采用速度反馈的定光强控制,通过模态速度符号来调节压电作动器与PLZT的连接方向,以实现作动器产生控制力的正/负切换。采用Newmark-β法对弹性圆环在不同光强下的动态响应进行数值仿真分析。仿真结果表明,在PLZT产生的电压信号的驱动下,压电作动器对系统产生的驱动力随光照时间成指数倍增加,且光照强度越大控制效果越好。     

压电陶瓷作动器非对称迟滞的建模与补偿控制

针对传统Bouc-Wen模型不能反映压电陶瓷作动器迟滞的非对称特性而导致其补偿控制精度难以提高的问题,提出了一种改进Bouc-Wen模型,通过修改形状控制参数使其能够模拟压电陶瓷作动器的非对称迟滞曲线.利用粒子群优化算法辨识了所需的模型参数,进一步研究了基于模型的前馈补偿控制、前馈加PI反馈补偿控制对于实现高精度位移输出的效果;在开环前馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约42％;在前馈加PI反馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约20％.研究结果表明:在相同的控制方式下,采用改进Bouc-Wen模型能够得到比传统Bouc-Wen模型更高的轨迹跟踪精度;与单纯采用基于模型的前馈补偿控制相比,采用基于模型的前馈加PI反馈补偿控制可显著提高压电陶瓷作动器的位移输出精度.     

用于驱动履带的夹心式压电作动器的动力学特性

提出一种夹心式压电作动器,用于直接驱动履带以构成小型履带式行星探测移动系统。压电作动器由变截面夹心式压电振子以及对称设置在其两端的两个圆环部分组成。压电作动器在两相具有π/2相位差的电信号驱动下激励出两相正交工作模态并在圆环处呈现两相在空间上具有π/2相位差的面内弯曲振动,耦合形成沿圆环周向旋转的行波,圆环表面质点做微幅椭圆运动,经摩擦作用驱动履带运动。利用有限元法对压电作动器进行了结构设计和动力学特性分析,并通过测振试验进行验证:1模态试验结果表明压电作动器的两相试验工作模态频率差为16 Hz,满足行波在圆环部分形成的要求;2通过谐响应试验得到了圆环表面质点在一个周期内的椭圆运动轨迹,与仿真结果相吻合。构建压电作动器驱动的可进行双向运动的履带移动系统,瞬态特性试验结果表明:1履带移动系统具有快速响应特性;2履带移动系统的瞬时运动速度呈周期性变化。     

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.     

基于虚拟传感的薄板结构辐射声主动控制研究

为抑制薄板辐射低频噪声，以局部覆盖宏纤维复合材料压电片的对边固支矩形薄板为对象，围绕其辐射声的主动控制展开研究。首先，采用有限元法建立薄板的动力学模型，并通过模态试验验证，在此基础上通过单元辐射体法建立薄板的声辐射模型；其次，结合结构辐射模态和空间可控性构建了结构-声可控性指标，并采用离散萤火虫算法对作动器位置进行了优化；然后采用空间梯度加权求和控制策略，引入基于结构响应传递率的虚拟传感器，实现单误差传感的结构声主动控制，并采用归一化动量Fx LMS算法完成了控制器的设计；最后进行了数值仿真和快速控制原型试验的研究。结果表明：引入虚拟传感器后减少了误差传感器使用数量，且主动控制控制效果无明显衰减；以结构-声可控性指标为目标优化作动器位置取得更好的效果；多种激励下薄板辐射声主动控制实际效果显著。     

基于行波模型的结构响应控制研究

从理论和实验两方面研究了基于行波模型的结构梁响应控制方法。在梁及压电陶瓷作动器等处采用行波理论模型,导出了抑制柔性梁中行波传播的主动控制律及相应的控制补偿器。这是一个具有超越函数的补偿器．并在100～300Hz的中频段,根据近似拟合的补偿器进行了主动控制实验研究,实验结果达到了50％的良好的控制效果。     

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。