非自治旋转机械系统自同步与异结构同步的研究

摘要:研究一类非自治旋转机械系统的复杂动力学行为.通过系统运动的拉格朗日方程和牛顿第二定律,建立了机械式离心调速é器系统的动力学方程.通过系统的分岔图和Lyapunov指数研究系统的混沌行为,通过仿真Poincaré截面分析系统通向混凝沌的道路,并且验证该系统的分岔图与Lyapunov指数谱是完全吻合的.基于Lyapunov稳定性理论,采用非线性控制方法进行一类不同阶非自治混沌系统之间的同步控制的研究．通过构造合适的控制函数,成功地实现两个不同阶混沌系统之间的同步控制,并用数值的仿真进一步证明该方法的有效性．     

四边固支热磁弹性矩形薄板的分岔与混沌*

摘要 研究在温度场、机械场与电磁弹性耦合作用下四边固定支撑矩形薄板的分岔与混沌运动问题。考虑温度场的影响,推导出在横向稳恒磁场和载荷共同作用下的四边固支矩形薄板的非线性磁弹性耦合振动方程。运用Melnikov函数方法,求出该问题在Smale马蹄映射下发生混沌运动的条件解。并对其进行了数值仿真,给出了该系统的分岔图、Lyapunov指数图、位移波形图、相平面轨迹图以及Poincare截面图,讨论了温度及电磁场强度对系统运动状态的影响。由仿真结果可知,通过变化温度场和电磁参数可以使系统进入混沌运动状态,或者避免混沌运动,以实现对系统振动特性的控制。
     

一类受噪声扰动混沌系统的自适应同步

研究一类受噪声干扰混沌系统的自适应同步问题。基于Lyapunov稳定性理论和自适应控制理论,通过构造合适的非线性控制器和参数自适应控制律,实现受噪声干扰混沌系统的同步,且成功地辨识混沌系统的所有未知参数,理论分析和数值仿真进一步证明控制器和自适控制律的有效性。     

两端弹性支承裂纹管道的非线性动力学特性

研究两端弹性支承输流管道含圆周方向裂纹时的非线性动力学特性。首先,推导出裂纹管道的模态函数与局部柔度系数,然后运用Galerkin离散技术将管道运动方程在模态空间中展开,采用非线性动力学仿真方法得到管道系统响应随各参数变化的分岔图和最大Lyapunov指数图。数值结果表明,这种两端弹性支承的特殊边界裂纹管道在参数激励、自激励和外激励联合作用下,表现出丰富的非线性动力学特性,分别出现周期运动、概周期运动、阵发性混沌和混沌等多种响应形式。     

基于滑模控制投影混沌同步在隔振系统中的应用研究

线谱是潜艇辐射噪声谱中最显著的特征,即使在潜艇以低速航行,产生最低的噪声辐射的情况下也可以探测到。利用混沌的宽频特性来降低潜艇辐射噪声线谱,提高其隐身能力已被广泛研究,但由于混沌的内在不确定特性,当系统处于混沌状态时,整体隔振性能不能得到保证。提出应用滑模变结构控制实现隔振系统和混沌系统投影同步的新方法,在保持原有隔振系统隔振性能的前提下有效的消除了线谱。该方法不用计算Lyapunov指数,且对参数失配具有很强的鲁棒性。通过对两自由度隔振系统和Duffing方程的数值仿真,验证了该方法可成功消除线谱且明显改善隔振系统的隔振性能。     

一般支承条件下输流管道的非线性动力学特性研究

摘要: 研究两端一般支承垂直放置的输流管道系统,采用非线性动力学分析方法,研究其在自激、参数激励和外激励联合作用下的非线性动力学特性,分析系统出现混沌运动的参数条件和进入混沌运动的途径。数值仿真结果表明,随着平均流速和质量比的增大,系统响应交替出现周期和混沌运动两种形态。系统进入混沌运动的途径为倍周期分岔,由混沌转化为周期运动的途径为倍周期倒分岔。混沌运动和周期运动出现的参数与流体的平均流速和管道端部的支承/约束刚度有很大关联,随着管道端部约束刚度的增大,系统出现混沌运动的区域减小,说明管道端部的约束刚度有益于抑制混沌运动的发生。     

基于时滞惯性流形的二维平面壁板非线性气动弹性分析

详细研究了二维平面壁板的非线性气动弹性现象。采用平板的Von Karman几何大变形理论以及气动力的一阶活塞理论,推导出系统的非线性偏微分控制方程。然后,运用基于时滞惯性流形的非线性Galerkin方法求解方程,将高阶屈曲模态用低阶模态来表示并引入时间滞后,这样既保留计算精度又大幅度地节约计算时间。最后,详细数值分析了其中的气动弹性行为,分别以无量纲动压和无量纲压缩内力为分岔参数,无量纲幅值为响应给出了分岔图,发现系统存在阵发性通往混沌的途径,以及混沌区域周期窗口和自相似的特征。进一步,通过对系统的相图、位移的FFT频谱以及Lyapunov指数的分析,发现系统的动力学行为存在稳定、屈曲、谐调和非谐调运动四种典型类型,而非谐调运动又表现出倍周期运动、准周期运动和混沌运动等丰富的非线性响应,所研究结果为识别和进一步控制此类非线性气动弹性现象提供了理论依据。     

滑模变结构法实现旋转圆盘混沌振动的控制

为了消除旋转圆盘横向混沌振动,克服其对整个系统及工作状况的不利影响,对旋转圆盘横向振动的四维非线性方程进行了复杂动力学特征分析,包括相轨迹图、Lyapunov指数和庞加莱映射图。利用比例积分滑模变结构法,将旋转圆盘从其横向混沌振动的混沌轨道先后控制到任意固定点和周期轨道,并用MATLAB模拟验证其有效性。重点讨论了滑模变结构方法的增益系数对抖振问题、受控系统的过渡过程的时间、峰值和控制器的过渡时间、峰值和稳定后的状态及其上下界的影响。结果为比例积分滑模变结构法的应用和相关机械系统混沌态的有效控制提供了理论依据。     

流动系统的混沌行为及仿真与控制

为深入探讨流动的稳定性,本文研究了平面不可压缩的五模流动系统的动力学行为及仿真与控制问题.运用分岔图、Lyapunov指数谱和庞加莱截面图分析了系统通过分岔过渡到混沌所展现的复杂动力学行为.数值模拟揭示出该系统可通过Ruelle-TakensNewhouse途径走向混沌,讨论了系统从规则运动转化到混沌运动所具有的普适特征.设计控制器,并利用延迟反馈控制方案,将系统控制到一周期和二周期.     

具有参数不确定性的车辆座椅悬架H∞输出反馈半主动控制

针对座椅悬架系统的参数不确定性和位移测量难题,基于线性矩阵不等式和H∞最优控制理论,建立了座椅悬架系统的参数不确定性H∞输出反馈控制器。控制器利用估计的状态采用鲁棒控制策略计算期望控制力。磁流变阻尼器的控制电压在满足半主动和极值约束条件下,比较期望控制力与当前阻尼力的大小,应用开关控制算法进行调整,使得磁流变阻尼器产生跟踪期望控制力的阻尼力。数值仿真结果证明,该控制器在仅利用座椅架的加速度作为测量输出进行状态估计,以及在座椅悬架系统具有参数不确定性的情况下,仍能有效地对座椅外部激励进行隔振,改善驾驶员的乘坐舒适性。     

液压柔性机械臂运动及振动的鲁棒控制

针对液压柔性机械臂刚体运动和振动控制，本文提出了一种新的鲁棒控制器设计方法。该设计方法结合了反演控制设计方法、滑模控制理论及极点配置技术，对系统不确定性具有较强的鲁棒性。其中滑模控制主要是通过虚拟控制扭矩的设计，来实现在柔性臂端点负载不确定的情况下，对其刚体转角和柔性振动的控制；反演控制设计主要是完成系统的实际输入——液压伺服阀阀芯位移的设计；而极点配置应用于滑模平面极点的设置，获得期望的系统动态响应。基于Lyapunov稳定性理论的系统稳定性分析，证明系统跟踪误差将收敛于有限区域内。仿真实例表明了本文方法的有效性。     

分段非线性轧机辊系系统的分岔行为研究

考虑轧机液压压下缸和平衡缸对辊系的约束影响,建立轧机辊系的分段非线性动力学模型。分别采用奇点稳定性理论和奇异性理论分析了该分段非线性系统在自治情况和非自治情况下的分岔特性,得到不同系统参数下的分岔形态。最后根据某轧机结构参数,模拟了轧机分段非线性辊系系统在不同的外部扰动下的局部分岔行为,发现随着外扰参数的变化该系统是周期运动、倍周期运动以及混沌等多种运动形态相互交替的复杂动力学系统,外部扰动参数的变化影响系统的运动形态,这为研究和抑制轧机辊系振动问题提供了理论参考。     

一种绳牵引摄像机器人的运动控制策略与稳定性研究

绳牵引摄像机器人具有索单向受力、冗余驱动以及高速机动等特性,因而其稳定性问题的研究与解决是一个难题。现有的研究中,大多没有考虑摄像机器人的高速稳定运动特性及控制方法。为此,提出一种基于末端位置空间PD修正前馈控制规则保证摄像机器人的稳定运行。通过牛顿-欧拉法建立了末端执行器的动力学方程以及驱动系统的动力学模型;在此基础上得到了整个系统的动力学模型;在系统动力学模型的基础上,提出基于末端位置空间PD修正前馈控制规则的绳牵引摄像机器人跟踪控制策略,通过Lyapunov稳定性理论论证了控制策略的稳定性;通过数值算例说明了摄像机器人的稳定跟踪性能,并且验证了控制策略的有效性。     

风电齿轮箱两级行星齿轮传动系统的非线性动力学特性

考虑风电齿轮箱两级行星轮系传动系统各齿轮副的时变啮合刚度、综合啮合误差和齿侧间隙等非线性因素的基础上,建立了广义坐标下增速齿轮箱两级行星齿轮传动系统的动力学模型,采用变步长Gill积分法对该模型进行求解;采用分岔图、相图、FFT频谱图、poincaré截面图及最大Lyapunov指数图分析了激励频率和啮合阻尼比对系统振动响应及分岔特性的影响。结果表明:系统在多种非线性因素的耦合作用下会表现出丰富的非线性动力学行为,随着激励频率的增大,系统在混沌运动、拟周期运动和倍周期运动之间切换和变化,且退出混沌的方式多为倒分岔;在保证系统传动效率的前提下适当提高系统的啮合阻尼比,能够明显弱化和抑制系统的混沌运动,减小其振动幅度,对提高系统的稳定性具有一定的作用。     

姿态受控柔性臂空间机器人的自适应神经网络容错控制及残振抑制

针对执行器发生部分失效故障的漂浮基姿态受控柔性臂空间机器人系统,研究了执行器故障的容错控制及柔性臂杆残余振动的主动抑制。结合假设模态法、线动量守恒定理和第二类拉格朗日方程建立了系统的动力学微分方程。基于奇异摄动理论将系统分解为一个表征载体姿态与关节轨迹跟踪的慢变子系统和一个表征柔性臂杆残余振动的快变子系统;据此设计了由慢变子系统的自适应神经网络容错控制器与快变子系统的线性二次型最优调节器组成的复合控制器;其中,慢变子系统的容错控制器使得系统对执行器故障不敏感,保证了跟踪误差的渐进收敛;快变子系统的最优调节器可以有效地抑制柔性臂杆引起的残余振动,减少能量损耗。对比数值仿真校验了理论推导的正确性与复合控制策略的可行性。     

干摩擦对碰撞振动系统周期运动的影响分析

建立了含干摩擦对称间隙的两自由度碰撞振动系统的非线性动力学模型, 利用半解析、数值摸拟方法求解和分析了系统运动中存在复杂的粘滑碰撞动力学行为。为了精确地捕捉粘滑碰撞的分界点, 给出了判定系统粘滑碰撞的方法及粘滑碰撞过程中的衔接准则。并进一步分析了系统对称的周期运动、拟周期运动、粘滑碰撞运动和混沌行为以及干摩擦对系统所呈现出的动力学行为的影响。     

振动磨的混沌控制与应用

碰撞是振动磨运动的主要特征。碰撞可以产生混沌 ,有利的混沌运动可以打乱颗粒体系有序的结构和固有频率的分布状态 ,降低颗粒的断裂阻抗 ,有助于颗粒的断裂细化 ;而有害的混沌运动则可能导致作业系统全局的不稳定 ,若不加控制 ,势必造成工程事故。控制有害的混沌 ,不但可使系统具有足够的可靠性和鲁棒性 ,而且还可大大改善超细和超微颗粒粉碎的能耗以及人机环境。混沌控制是振动磨发展的关键和必由之路     

Synchronization in a steer-by-wire vehicle dynamic system

This work verifies the chaotic motion of a steer-by-wire vehicle dynamic system, and then elucidates an application of the synchronization to a vehicle model to control the chaos. The largest Lyapunov exponent is estimated from the synchronization to identify periodic and chaotic motions. Then, a bifurcation diagram reveals complex nonlinear behaviors over a range of parameter values. Finally, a continuous feedback control method based on the synchronization characteristics is presented to control a chaotic vehicle handling and steering system. The designed controller is demonstrated to work quite well for nonlinear systems in achieving robust stability and protecting the vehicle from slip or spin. Some simulation results are presented to establish the feasibility of the proposed method.     

混沌同步控制策略构造方法研究

水下辐射噪声中的低频线谱是影响潜艇声隐身性能的主要因素,线谱混沌化控制技术通过处于混沌状态的非线性隔振系统将低频线谱转换为宽频混沌谱,可以实现频谱重构并降低线谱强度。前期研究表明,利用广义混沌同步方法可以实现变工况下隔振系统的持续混沌化,在某些情况下还能显著减小振幅,为线谱混沌化控制理论提供了新思路。然而,目前要利用广义混沌同步产生小振幅的持续混沌运动,只能通过"试错"来选择合适的混沌同步控制策略,还没有形成系统的方法。为此,提出了一种混沌同步控制策略构造方法。结合耦合Duffing隔振系统对该构造方法进行验证和说明,并将该方法应用于两自由度非线性隔振系统。