电磁式作动器及其振动主动控制系统的研究

本文以旋转机械为研究对象，成功地研制了一种电磁式作动器及其振动主动控制系统，解决了信号检测，控制，放大以及数据通讯等一此关键性的难题，利用该系统，对转子的不平衡振动进行了主动控制实验，取得取较好的控制效果。     

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。     

弹性机构振动主动控制中压电作动器/传感器的优化配置

讨论了高速弹性机构构件上压电作动器和传感器粘贴位置优化配置的方法。基于机构弹性动力学控制方程,对系统模态作动力系数矩阵,作奇异值分解和振动响应观测信号,作小波变换,获得了作动器和传感器不同分布情况下作动力和观测信号的能量表达式,提出了判定作动器／传感器最优配置的可控性指标和可观性指标。最后,对弹性连杆机构进行数值仿真,确定了机构构件上压电作动器和传感器的最优配置。     

干摩擦力影响下振动主动控制系统模型的修正

在利用电磁作动器对微型盘进行振动主动控制的试验中，发现电磁执行装置中的干摩擦力对控制效果有相当大的影响，为此分析了干摩擦力对隔振系统的影响，得出了基于干摩擦力影响下的振动主动控制系统模型，并结合算例分别对考虑干摩擦影响和不考虑干摩擦影响的情况进行了仿真。仿真结果证实；干摩擦力对振动主动控制的效果有着重要不良影响，如果不能正确考虑其在控制系统模型中的作用，将会导致一些错误的发生，乃至控制系统失控。     

超精密隔振平台主动振动控制系统设计

建立了超精密隔振平台的结构及动力学模型，设计了一种新型的双向电磁作动器，并采用PID控制算法建立了主动振动控制系统模型，经Matlab软件仿真分析表明，该系统具有良好的隔振效果。     

静压气浮溜板的振动主动控制系统研究

静压气浮溜板主要用在超精密加工机床中,它的振动将通过刀架直接反映到被加工工件表面,影响工件的表面质量。采用自行研制的空气作动器作为执行器,以实现无摩擦接触;采用神经网络-PID控制策略,通过BP神经网络在线学习调整PID控制参数,实现最佳参数组合。实验结果表明气浮溜板的振动主动控制系统是可行性的和有效性的。     

基于压电自感作动器的振动主动控制系统研究

介绍了压电自传感作动器电学物理模型,分析了传统的桥路法在提取结构振动信号时所存在的问题,进一步提出了将最小二乘均方(Least Means Squares,简称LMS)自适应算法同时应用于压电自传感作动器传感与激励信号间的动平衡分离以及压电智能结构振动的主动控制,并从理论上进行了证明。软、硬件仿真试验结果表明：采用基于LMS的自适应算法可实现压电自传感作动器传感与激励信号完全地、不失真地分离以及压电智能结构振动的实时抑制。该策略原理简单,易于在智能结构振动主动控制、结构的健康监测中得到广泛应用．具有一定的实用价值和工程应用前景。     

基于多目标粒子群算法的电磁主动悬架作动器优化

针对电磁主动悬架直线式作动器电磁力波动对悬架系统影响问题,建立作动器磁场解析模型,以总谐波畸变量(Total harmonic distortion,THD)作为电动势(Electromotive force,EMF)中谐波含量的评价指标,对影响电磁力输出的EMF进行谐波分析,在此基础上,建立考虑悬架电磁力波动特性的悬架系统模型,分析了车辆动力学响应特性。其次,采用多目标粒子群智能优化算法,以“大EMF幅值”和“小THD”值作为目标,对作动器结构参数进行多目标优化,并利用模糊集合理论对优化后的Pareto最优解集进行选优。仿真结果表明,作动器电磁力波动下降了53.8%,有效电磁力提升了8.5%,基本消除了电磁力波动对悬架系统的影响。最后,对作动器样件进行测试,结果显示：作动器绕组EMF中含有3次、2次、4次和5次谐波分量,且THD值达到了5.6%,电磁力波动为7.8 N,试验结果验证了对电磁力波动分析及优化的有效性。     

基于遗传算法的主动悬架最优控制方法研究

针对线性二次型调节器（LQR）在工程应用中所存在的权重矩阵确定困难的问题,利用遗传算法（GA）优化LQR权重矩阵,提出了一种改进的最优控制方法--遗传线性二次型调节器（GALQR）。该方法采用了分区淘汰搜索机制,兼顾了大范围全局搜索与局部细微搜索,保证了权重矩阵最优解的全局性和精确性。将GALQR方法应用于主动悬架控制规律的设计,其结果与经验型LQR方法进行了对比,表明GALQR方法增加了寻求最优权重矩阵的可能性,使系统获得更佳的设计性能。     

基于直接速度反馈的管道振动主动控制

管道振动给石化设备的安全运行带来严重的隐患。基于直接速度反馈控制原理,利用主动阻尼装置向振动管道系统施加控制力,实现了对管道振动的主动控制。利用根轨迹法分析了控制系统的稳定性,实验验证了惯性作动器的动态特性对系统稳定性的影响,在增益系数过大时观察到了系统失稳的现象。以加速度信号作为评价指标,对不同反馈增益系数下主动阻尼装置对管道振动的控制效果进行了对比,并探究了主动阻尼装置的有效作用频带。结果表明,在反馈增益系数选择合理的情况下,主动阻尼装置对作动器线性工作频带内（20~50 Hz）的管道振动都能有较好的控制效果,最高降幅可达80%。最后对主动阻尼装置的设计和使用提出了参考意见,为振动控制效果的进一步提高提供了思路。     

基于自寻最优控制方法实现结构振动主动控制

从振动主动控制设计思想出发,基于自寻最优控制的基本原理,对采用这一控制方法实现结构振动响应主动控制进行了研究。在此基础上,开发了以计算机及高速数据采集板为核心的数据采集、处理和自适应控制系统,对一压电机敏刚架结构进行了振动主动控制实验,取得了良好的抵消振动效果。     

基于IIR结构的自适应滤波振动主动控制方法

当前自适应滤波前馈控制方法中具有代表性的是滤波-X最小均方(filtered-X least mean square,简称FX-LMS)算法,它通常假定干扰源可测且作为前馈控制器的参考输入,但实际振动控制过程中需要考虑控制输出反馈信号对参考信号的影响,因此滤波-X算法面向实际应用具有较大的局限性。针对这一问题,以机敏压电太阳能帆板结构为模拟试验对象,提出一种基于IIR(infinite impulse response,简称IIR)结构的滤波-U最小均方(filtered-U least mean square,简称FULMS)自适应滤波控制方法,着重分析了控制器结构设计、FULMS算法推理过程、试验模型结构设计、试验平台的构建及其试验验证等环节。经过与FXLMS算法对比仿真试验,笔者所设计的控制算法控制效果良好。将其进行试验验证分析,结果表明,所采用的控制器设计方法与控制算法收敛速度快,控制效果好,为自适应振动控制方法向实际工程应用提供了较好的研究基础。     

基于神经网络的薄壳多目标振动优化控制研究

针对目前主动控制方法主要集中于减振降噪方面的研究,无法满足工程中频率特性改变的需求等问题,结合神经网络的多目标并行处理能力,提出基于神经网络的多目标振动优化控制方法。首先,基于神经网络算法,构造频域主动控制架构,相较于时域方法,该架构一个控制循环只需一次傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT),无傅里叶逆变换(Inverse fast Fourier transform,IFFT),因此,控制时效性得到有效保证。其次,基于全局频域误差与特征频点误差,构造混合型误差评判准则,提升算法的自适应性,可靠性与抗干扰能力。再次,基于多自由度系统方程,研究了多目标控制中的可控性问题,保证控制的可行性。最后,通过大型薄壳结构的八点多目标振动优化控制,有效验证了方法的有效性与可行性。     

基于加速度反馈的挠性智能结构振动主动控制

空间柔性机器人和航天器挠性附件在转动调姿时或者外部扰动带来的振动问题,尤其是在平衡点小幅值的模态频率上的振动很难控制,这将影响系统的稳定性和指向精度.为解决该问题,提出一种基于加速度传感器信号反馈的非线性控制算法,在理论上分析其稳定性和优越性.由于加速度传感器和压电驱动器或电动机的异位配置带来的相位滞后导致控制系统为非最小相位系统,在提出的加速度反馈控制算法中通过移相技术进行补偿相位滞后,并结合低通滤波器和正位反馈控制以及非线性逻辑积分阻尼器对系统的振动进行快速抑制,尤其抑制平衡点附近小幅值振动.设计并建立压电挠性智能结构试验平台,利用加速度传感器、压电片和交流伺服电动机驱动器抑制挠性结构振动,对提出的控制方法进行试验比较研究.试验结果表明,采用提出控制方法能够快速地抑制系统的振动,尤其能够快速抑制平衡点小幅值的振动.     

用于智能结构振动主动控制的改进自适应PD算法

针对压电智能结构,引入对参考模型具有良好跟踪效果的自适应PD算法来抑制其振动。鉴于传统自适应PD控制算法在外界快速扰动下缺乏稳定性,尤其在随机扰动情况下该问题尤为突出,因此,在传统自适应PD的基础上耦合速度负反馈控制算法,形成了一种改进的自适应PD算法,并通过Lyapunov方法证明了改进后控制系统的稳定性。根据缩小因子法确定参考模型,分析比较了正弦或随机扰动激励下的改进自适应PD与传统自适应PD算法的控制效果。仿真结果表明,改进的自适应PD控制算法具有更好的鲁棒性和稳定性。     

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。     

环形天线结构的振动主动控制

环形天线是一种大型、柔性、低阻尼、低模态频率的空间结构,它在太空中受到外界干扰后振动响应较大。针对此问题,提出了一种采用音圈电机-凯夫拉纤维的振动主动控制新方式,根据环形天线的结构特点及音圈电机的动力学特性建立了含作动器的振动主动控制系统模型,并结合比例-微分(proportion-differentiation,简称PD)控制、模糊控制、模糊PD杂交控制算法分别研究了环形天线结构的前2阶振动控制性能。研究结果表明,采用音圈电机-凯夫拉纤维的振动主动控制新方式可以显著抑制环形天线前2阶的大幅值振动响应,模糊控制的效果明显优于PD控制,且模糊PD杂交控制算法进一步提高了天线平衡位置处的振动控制精度。     

建筑结构振动智能化最优控制设计

高层建筑结构在风、浪、地震等动载荷影响下易产生动态响应,此过程中易出现较大的位移响应,从而对高层建筑结构安全造成巨大威胁。为了对建筑结构动态响应进行有效控制,基于稳定逆理论提出了一种最优迭代学习控制方法,对算法收敛性进行分析。仿真结果表明,该方法能有对Benchmark模型的地震位移响应进行有效控制,使得控制效果得到一定的改善。     

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。     

模糊控制理论在柔性结构振动主动控制中的应用

阐述了模糊控制理论在柔性结构振动主动控制中的应用;论述了运用模糊控制理论进行结构振动控制的必要性和可行性;详细介绍了振动模糊控制方法的过程及神经网络技术与模糊控制相结合的问题;指出了振动模糊控制中需发展的几个问题。