空间智能桁架的有限时间振动抑制控制

航天器结构设计需求趋于轻型化,大挠性空间桁架结构的应用日趋广泛,由于其具有低阻尼、大柔性等特性,在轨运行时容易产生大幅度的振荡,从而影响航天器的正常工作.为抑制传感器/作动器一体化的空间智能桁架结构的振动,基于独立模态空间理论并结合动态补偿线性化思想设计了基于终端滑模的有限时间控制方法.首先,基于有限元方法建立桁架动力学模型.然后,基于独立模态空间理论能够对各阶模态响应实现解耦的特点设计模态滤波器,利用扩张状态观测器对由外界环境干扰和模型摄动构成的系统总干扰进行实时估计,采用"动态补偿线性化"的思想将桁架动力学模型进行简化.最后,提出了一种结合双幂次趋近律与终端滑模面的有限时间控制器.仿真结果表明,相比于传统的齐次方法有限时间控制器,所提出的振动抑制控制器能够在较短时间内显著降低空间智能桁架结构在受到瞬态干扰力和周期干扰力作用时的模态振动响应幅值.算法具有良好的鲁棒性和有限时间振动收敛特性.     

机器人柔性臂的扭转振动主动控制研究

针对具有两连杆结构的空间机器人，设计了一种压电驱动器来抑制空间机器人柔性臂的扭转振动。采用拉格朗日方程和假设模态法对此机器人系统进行了理论建模，并建立了考虑随机干扰的状态空间表达式，基于随机最优控制理论设计了线性二次型高斯（LQG）状态反馈控制器。仿真结果表明，该主动控制策略能够有效衰减机器人柔性臂的扭转振动，从而提高了末端执行器的定位精度。     

空间两连杆柔性构件弯扭耦合振动主动控制

为了研究空间柔性结构的耦合振动，提出一种由柔性杆和柔性梁组成的两连杆柔性构件系统，对此柔性构件系统的弯扭耦合振动进行了研究，运用拉格朗日方程和假设模态法推导了此柔性系统的动力学方程．在柔性杆根部粘贴一只压电扭转驱动器抑制柔性杆的扭转振动，在柔性梁根部粘贴一只压电剪切驱动器抑制柔性梁的弯曲振动．采用一种基于Lyapunov稳定性的速度反馈控制策略进行了实验仿真研究．结果表明, 施控后的系统是稳定的，弯扭的各阶模态均能得到有效抑制，柔性梁末端的位移振动能得到显著衰减．     

基于压电堆的网壳振动智能控制研究

利用压电材料的压电效应机理,设计出一种压电主控作动杆件,分析其工作原理和设计方法.然后利用模糊智能控制进行仿真,将其应用于网壳结构振动智能控制分析中,结果表明压电主控作动杆可有效地减小结构的加速度和位移响应,为其在桁架结构中的应用打下良好的基础.     

压电悬臂梁振动的模态控制

结合有限元分析方法与模态控制来抑制悬臂梁的振动.采用有限元分析方法研究悬臂梁的动态特性,建立其动力方程.在悬臂梁振动时应力最大或次最大处的上、下表面同位配置压电片,作为抑制悬臂梁振动的致动器.基于模态控制方法,设计了模态传感器和模态致动器.采用模态速度负反馈进行反馈控制,以此计算出各个作为致动器的压电片的控制电压,以抑制悬臂梁的振动.通过算例进行数值仿真,结果表明,以此方法布置压电片和输入控制电压,能迅速抑制悬臂梁的振动,可单独或同时控制几阶模态振动.     

挠性结构的模态变结构控制

对具有分布参数模型的挠性结构提出了模态空间变结构控制方案,利用坐标变换把整个系统分为若干个独立的二维模态子空间。在每个独立的模态子空间内,在给定参数不确定性范围和干扰力矩范围的情况下,设计变结构控制控制器。通过仿真验证了控制算法的有效性;控制算法简单,易于实时完成,又具有较好的鲁棒性。     

变负载条件下柔性臂自适应预整形振动控制

针对单连杆柔性臂负载发生变化的情况,提出克服柔性臂末端振动的在线自适应输入预整形（OAPCA）方法.该方法将柔性臂连杆角速度的变化看作2阶振动模态的组合,在线设计前馈脉冲预整形输入,脉冲的时间和幅值由模态频率和阻尼值计算得到.当系统振动频率随负载变化后,预整形器失去振动抑制作用,将前馈输入整形控制、比例积分（PD）控制及快速傅里叶变换（FFT）算法相结合,设计自适应整形器抑制柔性臂末端振动.理论上证明OAPCA方法的可行性,并对频率失配的情况进行鲁棒性能分析,进行仿真研究.结果表明,柔性臂OAPCA方法具有良好的末端振动抑制能力和关节角跟踪能力,能够有效解决变负载单模态振动控制问题.     

板声传输主动控制辐射模态控制方法研究

为了使结构的低频强迫传声得到控制,研究了基于声辐射模态的结构声传输主动控制方法.提出了结构振动模态和声辐射模态之间的对应关系式,据此在解耦的独立模态空间建立了声辐射模态控制方程.通过基于H∞控制律的控制仿真计算,验证了使用声辐射模态控制方程进行结构声传输主动控制的有效性.相对于独立模态空间控制方程,声辐射模态控制方程在低频结构传声损失的控制上有明显的优势.     

压电类智能结构在船体振动控制方面的应用研究

振动是存在于舰船结构中一个普遍的现象,它所带来的危害一直为人们所关注.根据振动主动控制原理,建立了以PZT为执行器的振动主动控制模型,研究通过控制甲板的边界条件,从而达到减振效果的方法.利用ANSYS软件对建立的实验模型进行了数值仿真研究,搭建物理实验平台,开发了单输入多输出的振动自适应主动控制系统,进行物理实验研究.最后,将实验值与仿真值进行比较分析,验证了该方法的有效性,为船体振动的主动控制提供了一条新的途径.     

Variable structure attitude maneuver and vibration control of flexible spacecraft

A dual-stage control system design method is presented for the three-axis-rotational maneuver and vibration stabilization of a spacecraft with flexible appendages embedded with piezoceramics as sensor and actuator. In this design approach, the attitude control and the vibration suppression sub-systems are designed separately using the lower order model. The design of attitude controller is based on the variable structure control （VSC） theory leading to a discontinuous control law. This controller accomplishes asymptotic attitude maneuvering in the closed-loop system and is insensitive to the interaction of elastic modes and uncertainty in the system. To actively suppress the flexible vibrations, the modal velocity feedback control method is presented by using piezoelectric materials as additional sensor and actuator bonded on the surface of the flexible appendages. In addition, a special configuration of actuators for three-axis attitude control is also investigated ： the pitch attitude controlled by a momentum wheel, and the roll/yaw control achieved by on-off thrusters, which is modulated by pulse width pulse frequency modulation technique to construct the proper control torque history. Numerical simulations performed show that the rotational maneuver and vibration suppression are accomplished in spite of the presence of disturbance torque and parameter uncertainty.     

压电柔性机械臂的轨迹跟踪控制

提出一种利用压电材料对柔性机械臂进行末端轨迹跟踪控制的方法．利用假设模态法,采用压电作动器和传感器同位配置,根据Lagrange方程建立了单连杆柔性机械臂的动力学模型;针对柔性机械臂的非最小相位特点,以刚性旋转关节的转角为控制输出、以压电作动器抑制柔性机械臂的末端振动,基于Lyapunov函数,采用PD(proportional-differential)控制策略实现了对柔性机械臂进行末端轨迹跟踪控制．仿真结果表明,压电作动器很好地抑制了柔性机械臂末端的振动,末端的轨迹跟踪由关节驱动和压电作动共同完成,PD控制算法简单,易于工程实现．     

应用变速控制力矩陀螺的航天器姿态自适应控制

为提高敏捷挠性航天器在轨连续机动的快速性和高稳定性,应用变速控制力矩陀螺(variable speed control moment gyroscopes, VSCMGs)作为姿态控制执行机构,提出了一种将观测器与自适应控制结合的姿态控制律与VSCMGs复合操纵律。考虑到机动过程中挠性模态及精确惯量不可知,采用模态观测器和转动惯量估计器对不可测的状态或参数进行辨识,辨识结果用于精确估计前馈补偿力矩,利用Lyapunov分析方法证明了闭环控制系统的稳定性。鉴于VSCMGs实际使用的力矩分配能力、避奇异能力、轮速平衡能力与末态框架角定位能力,分别设计了加权伪逆操纵律与3种对应的零运动。基于雅可比矩阵条件数提出了末态框架角的优选方法,给出了VSCMGs零运动在机动过程不同阶段的部署方案。结果表明：通过连续姿态机动数值仿真验证了所提算法的有效性;VSCMGs在连续机动过程中平滑切换模式,在不同的机动阶段实现了相应功能。模态观测值和惯量估计值在多次机动后收敛至真值附近,经过参数辨识后的控制器使航天器在机动末端更快更稳地达到指向精度要求。     

Research of the algorithm of the closed-loop control system to control the piezoelectric actuator

The piezoelectric actuator has been widely used in precision instruments and precision control. However, hysteresis, nonlinearity and creep exist in the actuator, which limit actuator applications and affect accuracy. This thesis introduces fuzzy control as the algorithm of a closed-loop control system to control the piezoelectric actuator. Fuzzy control can make this closed-looped system not only have high linearity, repeatability,accuracy and few overshoot, but isalso easily used.     

压电类智能结构耦合系统动力学分析

对压电类智能结构耦合系统动力学问题进行了分析,阐明了压电结构在外载(机械力或电场)作用下的力学特征、电学特征.从机电耦合弹性体的理论出发,运用Hamilton原理建立一般压电类智能结构耦合系统的动力分析模型,进行压电类智能结构耦合系统的有限元分析.以此为基础进行压电类智能结构耦合系统动力学分析:模态分析和瞬态动力分析.最后利用有限元分析软件ANSYS,对粘贴压电陶瓷片的压电悬臂板耦合效应进行模拟分析,进行了模态分析、瞬态动力学分析研究.说明了压电类智能结构耦合系统的动力学特性.     

Active vibration control of multibody system with quick startup and brake based on active damping

1 INTRODUCTIONIn micro-electronics manufacture , a lot ofequipment must move fromone position to an oth-er position,then stop and perform a task. Afterthat they will start at another position.Fromstar-tup to brake , if the vibration of system is toogreat ,the vibration range may exceedthe precisionof fixed position.In recent years , many scholars[1 10]have re-searched suppression of vibration by utilizing pie-zoelectric structure . Kaji wara et al[2]studied ac-tive control of the vibratio…     

带有死区非线性输入的挠性航天器姿态机动智能控制

针对反作用飞轮带有死区非线性输入特性的三轴稳定挠性航天器姿态机动控制问题,提出一种由变结构与神经网络自适应控制技术相结合的智能控制方法。首先,基于航天器非线性和低阶模态动力学模型设计了变结构输出反馈控制律,给出了滑模存在条件,保证闭环系统渐近稳定;其次,采用神经网络自适应控制技术对系统的不确定性因素进行补偿控制,并利用Lyapunov方法分析了系统的渐近稳定性。智能控制的引入使得控制器具有很强的自学习能力和自适应能力,可有效降低不确定因素对系统产生的影响。最后,将本文提出的控制策略应用于三轴稳定挠性航天器的姿态机动控制,仿真结果表明本文方法是行之有效的。     

基于摄像测量法的在轨柔性结构模态参数辨识

针对在轨传感器布置困难的问题,提出一种利用数字摄像测量技术对在轨大型柔性结构进行模态参数辨识的方法。阐述了三维动态重构技术、相机标定算法和像素点特征提取算法原理。利用一类柔性星载天线模型进行了地面试验,采用高速数字摄像机记录模型的自由振动响应过程,并从采集的图像序列中提取给定测点的位移振动数据,通过特征系统实现法（ ERA）辨识星载天线模型的前5阶固有频率、阻尼比等模态参数。结果表明,数字摄像测量方法可以在满足在轨测试设备简单要求的同时,有效地辨识柔性天线的在轨模态参数。     

压电直接驱动式伺服阀

介绍了一种利用压电陶瓷直接驱动的压电伺服阀,其机械结构简单、抗干扰能力强,具有高于传统电磁式伺服阀的频宽和分辨率。应用有限元法分析了柔性铰链的结构特性,对压电叠堆的静、动态特性进行了理论分析,并制造了压电直接驱动式伺服阀样机,进行了静、动态性能测试。测试结果表明:该压电伺服阀可以满足现代精密高速控制系统的需要。     

神经网络-标称系统混合模型的离散变结构控制

提出将神经网络和标称系统混合建模方法引入到柔性结构主动控制当中，在混合模型的基础上，利用离散变结构控制（VSC）对柔性结构振动进行控制．离散变结构控制的滑模面是以标称系统为基础，由最优化二次型价值函数确定，并通过黎卡提方程求解．利用标称模型和神经网络混合建模方法来减小系统的不确定性，达到减弱变结构控制在实际控制系统中的抖动问题．神经网络采用多层前馈网络（MFNN），来对不确定部分进行建模．仿真结果表明系统振动受到了有效的控制，说明提出的神经网络变结构控制（NNVSC）方法非常有效。     

挠性航天器姿态机动的主动振动控制

针对挠性航天器三轴姿态同时机动时太阳帆板的振动抑制问题,提出了采用压电智能元件作为致动器的主动振动控制方法,基于Lagrangian方法和四元数参数化建立了航天器姿态动力学和运动学模型.利用航天器姿态控制问题固有的无源性,设计了一种仅利用姿态四元数而无需以角速度测量、挠性变形位移及速率测量作为反馈的控制规律,使得在大角度姿态机动的同时能有效地抑制太阳帆板的振动;基于Lyapunov方法证明了设计的动态控制器能够保证姿态的渐近稳定性和模态振动的衰减性.将该方法的控制效果与PD控制方法进行了比较,仿真验证了所给出的控制方法的可行性和有效性.