光控压电混合驱动特性及影响因素分析

提出光控压电混合驱动,即利用铁电陶瓷镧改性锆钛酸铅(PbLa Zr Ti,PLZT)在紫外光照射下产生的光电压驱动压电作动器。这种新型光控方式的研究实现了PLZT作动器的非接触激励、抗电磁干扰的光激励特性与压电作动器响应速度快等优势互补。基于等效电学模型建立了在光-热-力-电等多能耦合作用下,压电作动器驱动电压及应变的本构模型;对作动器应变滞后性进行试验分析并与PLZT作动器进行了对比;对光控压电混合驱动的影响因素进行研究,探讨了光照强度、作动器电极表面面积、厚度等尺寸参数对作动器驱动电压的影响规律。     

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。     

用于光阑的旋转型驻波压电作动器

为了驱动光阑实现对光束的控制和调节,提出一种新型的旋转型驻波压电作动器。现有压电作动器中,性能稳定的多为单一振子复合模态工作方式,要求各工作模态频率差小,除了对加工精度要求高之外,由于工作磨损对各模态频率影响不同,工作模态的频率差增大,使作动器的性能和效率下降。针对这一问题和光阑的工作特点,研制了一种新型的旋转型压电作动器。该作动器利用两个相同结构杆形压电振子的同形模态,经摩擦驱动光阑活动环转动,达到调节光阑孔径的目的。原理样机实验表明:当预压力为8N时,在驱动电压为200V_(p-p)～400V_(p-p)范围内,作动器的旋转速度与电压成正比,最大的逆时针旋转速度为75.36rad/min,最大的顺时针运动速度为62.8rad/min;在驱动电压为400V_(p-p)下分辨率可以达到0.34mrad。该压电作动器满足了光阑光束控制的要求,具有结构简单、响应快速、调速平稳和精度高等优点。     

光驱动压电作动器用于薄壳振动控制策略的研究及可行性验证

为提高薄壳结构工作性能,突破现有的结构振动控制方法局限性,采用新材料PLZT,开启了利用光电压驱动压电作动器的新研究。现对利用光驱动压电作动器方法用于薄壳振动控制进行了研究,设计其控制策略,并通过试验研究验证了所设计的控制策略的有效性和光驱动压电作动器方法用于薄壳振动控制的可行性。     

新型光电作动器产生的非均匀力矩对板的控制

在特定波长的高能光束均匀照射下,镧改性锆钛酸铅(PLZT)铁电陶瓷由于在光电效应及逆压电效应的共同作用下会产生光致伸缩效应,可以实现对智能结构的非接触式精密激励。提出一种新的光致伸缩作动器的构型设计,它由4个单片的PLZT作动器构成,由于每一片的不均衡的边界条件,此新型作动器可以产生不均匀的控制力及控制力矩,利用变分法计算出其控制力及控制力矩的近似分布曲线,利用模态扩展方法,分别计算此新型作动器对正方形板及矩形板的模态控制效果,计算作动器尺寸对控制效果的影响。通过与多自由度作动器的对比表明,此新型作动器由于会产生不均匀的控制力及控制力矩使它对板的某些模态的控制效果比多自由度作动器更好。     

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。     

压电作动器存在故障时柔性板的鲁棒振动控制研究

首先识别出黏贴压电作动器的柔性板振动控制系统的实验模型,接着提出了利用改变压电片对连接数量来模拟作动器驱动故障的方法。基于此,将驱动力变化带来的模型不确定性提取成正则不确定块对角阵,将剩余模态表示成高通滤波器,并引入虚拟不确定矩阵,从而构建出考虑外扰抑制和控制增益约束的μ综合控制器。实测结果表明,相对于一般的μ综合控制器,当出现压电片连接故障时,闭环系统在初始外扰下的对数衰减率增大了3倍。     

新型压电作动器驱动的直线电机驱动电源研究

基于压电作动器的大容性负载特性,通过电路匹配分析提出了基于直流升压变换器和谐振驱动控制电路;根据压电作动器驱动偏压要求,设计偏压电路使输出电压在-20~100 V之间;采用微处理器和D触发器设计驱动信号产生电路;将设计的驱动电源用于双作动器驱动的压电直线电机,电机运转平稳,电路功耗小,通过匹配不同的电感实现了宽频范围驱动.     

冗余度柔性机器人复模态振动主动控制

研究了具有压电作动器与应变传感器的冗余度柔性机器人的振动主动控制问题；建立了受控系统的状态空间表达式；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受控系统的状态进行了近似估计。仿真算例表明，该方法可以显著改善受控系统的动力学性能。     

圆筒型非接触式压电作动器的设计与试验研究

 提出了一种基于超声悬浮和驱动的非接触式压电作动器,该作动器中的转子呈完全悬浮状态。转子的悬浮由兰杰文换能器提供,自身旋转与定位由圆筒型定子提供。通过分别对换能器和定子的压电陶瓷片施加电压,使得换能器悬浮端面激发出一阶弯曲振动模态,而定子激发出两相B(0,3)驻波并合成一高声强行波,进而诱发高声强声场来驱动转子。分别建立了非接触式压电作动器中兰杰文换能器和定子的有限元模型,对换能器和定子进行了分析、设计、扫频以及定频试验,确定了结构方案, 最后加工、制造了样机。搭建了整个样机的测试系统,对其悬浮和驱动特性进行了分析,测得转子转速可达4261r/min。结果表明转子在近声场的作用下成功地实现了完全悬浮式的高速旋转。      

非接触型超声电机的圆筒形定子的振型测量技术

用壳体理论对圆筒非接触型超声电机的圆筒形定子建模，得到了定子振型的筒壁径向振幅、端面垂向振幅和筒壁母线的径向振幅的理论关系。利用这个关系，提出一种间接测量圆筒周向振幅分布的方法。最后，通过实验验证了该方法的实用性，并指出该方法不仅适用于圆筒低阶振型的测量，对复杂的高阶振型也同样适用。     

ACTIVE VIBRATION CONTROL OF A CAR BODY BASED ON EXPERIMENTALLY EVALUATED MODAL PARAMETERS

Active vibration control has been successfully tested for structures with simple geometry, such as beams and plates, by using modal controllers. Since the dynamical behaviour of a variety of mechanical structures can be expressed in terms of modal parameters, the application of modal control concepts can be extended to structures with more complex geometries. For such structures the evaluation of modal parameters from numerical calculations of local modes is complicated because the results strongly depend on proper boundary conditions of the truncated structure. Therefore, the modal data are identified by an experimental modal analysis. The transformation of the experimentally evaluated mode shapes into a closed analytical formulation and the extraction of modal input and output factors for sensors and actuators connect experimental modal analysis and modal control theory. The implementation of the input and output factors into a modal state-space formulation results in a modal filter for the point sensor array and a retransformation filter for the segmented actuator patches. In this study, PVDF foil is used for sensors and actuators. The modal controller is implemented on a digital controller board and experimental tests with the floor panel and centre panel of a car body are carried out to validate the proposed concept.     

电动负载模拟器摩擦模型参数辨识方法

随机子空间算法作为模态参数识别算法中的主要方法之一,虽然被广泛运用于实际桥梁结构的模态参数识别中,但其依然存在一定的缺陷。基于此,针对其存在的三大问题：系统定阶难、只适用于时不变结构以及真实模态筛选存在主观性,笔者提出了相应的解决方法。首先,利用“奇异熵增量一阶导数法”实现系统阶次的智能化判定;其次,引入“滑窗技术”对输入信号进行划窗处理,实现时变结构的参数识别;然后,基于真实模态存在的一般规律,并通过建立相似矩阵实现真实模态的辨识;最后,将信号采集、信号预处理和改进随机子空间算法进行有效结合,运用于某大型斜拉桥振动台试验以验证所提算法的可靠性。结果表明：所提算法能运用于桥梁的健康监测中,且识别结果具有可信性。     

锆钛酸铅镧陶瓷光致微位移的闭环伺服控制

利用锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷的光致形变效应,提出了一种光控微位移伺服系统,并通过实验对其闭环伺服控制特性进行研究。建立PLZT陶瓷光致微位移闭环伺服系统的多物理场耦合数学模型,通过静态实验对光照与光停阶段PLZT陶瓷光致形变表达式进行了参数识别。搭建了PLZT陶瓷光致微位移闭环伺服控制实验平台,基于ON-OFF控制策略,在不同光照强度下对PLZT陶瓷的光致微位移进行了闭环伺服控制实验。结果表明,通过对紫外光源施加ONOFF控制,能够实现PLZT陶瓷输出位移的闭环伺服控制。PLZT陶瓷输出位移曲线在伺服控制阶段出现超调量之后,围绕目标值上下波动。光致微位移伺服系统的响应速度、超调量与波高随着光照强度的增强而增加;在400mW/cm2光照强度下,PLZT陶瓷输出位移到达目标值的时间仅为100mW/cm2光照强度下的20%。实验结果为PLZT陶瓷在微驱动方面的工程应用奠定了基础。     

压电阵列式模态传感器的实验研究

以简支梁为例,用一组压电PVDF阵列式传感器测量结构的模态坐标,在简支梁表面均匀粘贴一组相同形状的矩形PVDF薄膜,然后通过设计这组PVDF传感器输出的加权系数,得到各阶模态坐标.研究表明,这种传感器设计方法与简支梁的外激励力性质(如激励力类型、频率以及位置等)无关.实验结果表明,这种模态传感器的设计是可行的.     

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。     

局部模态传感器的设计

以振动梁为例,提出在振动梁的局部表面粘贴特定形状的PVDF薄膜作为传感器测量结构的模态坐标,并通过勒让德多项式推导得到所需的PVDF模态传感器的形状函数。数值计算表明这种模态传感器的设计是可行的,并且这种传感器设计方法与振动梁的外激励力性质(如激励力类型、频率以及位置等)无关。     

基于结构与声场耦合模态分析的车内噪声控制方法

在汽车车内结构噪声的控制中，传统的结构振动模态分析不能准确地反映车身结构与车内声场的耦合特性，将车身结构与车内声场综合起来考虑，采用结构与声场耦合模态分析方法研究了汽车车内结构噪声的控制问题。在介绍结构与声场耦合模态分析方法理论的基础上，讨论了该方法在车内结构噪声控制中的工程实现。该方法在某车车内噪声控制的应用中取得了明显的降噪效果，证明了该方法的可行性和有效性。     

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。     

A new design of drag-free and attitude control based on non-contact satellite

A novel non-contact satellite for drag-free and attitude control is proposed in this paper. The non-contact satellite is separated into a payload module and a service module by non-contact Lorentz actuators. Instead of thrusters, the non-contact Lorentz actuators are used to exerted precise forces and torques, enabling drag-free and attitude control of the payload module, while the service module is designed to track the payload module to avoid collision. On the basis of this new design, the dynamics of drag-free and attitude control can be precisely modeled. Accordingly, a hierarchical control algorithm, consisting of an EKF-based estimation and rejection of environmental acceleration of payload module, attitude control of payload module, minimum norm allocation of non-contact Lorentz actuators, as well as collaborative control of service module, is systematically designed. A numerical simulation is then conducted to demonstrate the validity and effectiveness of the proposed design.