基于位移反馈控制的主动增加时滞补偿方法及其试验验证

时滞是结构振动主动控制系统中普遍存在的现象,时滞不仅会降低控制系统的性能,严重时会造成系统失稳、控制发散。针对此问题,本文研究以下三方面内容：首先基于单自由度系统时滞的稳定性理论分析,确定系统最大允许时滞量的解析解,该阈值可以作为确定何时应用时滞补偿技术的一个评判指标;其次,当作动器实际时滞量大于最大允许时滞量时,常规时滞补偿方法将会失效,提出了基于位移反馈的主动增加时滞的补偿新方法,并定性结合定量详细分析了主动控制算法的参数影响规律;最后,以单层剪切型框架结构为被控对象,进行了多种输入激励下基于位移反馈的主动增加时滞补偿试验验证。大量仿真分析和试验结果表明本文所提方法能够在保证系统稳定性的同时获得一定可观的控制效果     

基于实时混合试验误差累积规律的时滞影响修正方法

为减小实时混合试验中的时滞影响,通常要对数值子结构计算得到的控制指令进行在线时滞补偿。为了保障实时性,要求作动器的负载不宜过大并处于最佳的性能区间。由于大比尺实时混合试验中物理子结构负载较大,对控制系统和作动器性能都提出较高的要求。此外,目前时滞补偿算法是无法完全消除时滞影响的,也即,时滞普遍存在于实时混合试验中且无法避免。针对上述问题,基于双显式数值积分算法的误差累积规律,该文提出了一种可以在试验后对试验结果进行修正以消除时滞不利效应的方法。分析了时滞对于实时混合试验结果的影响,对较大时滞情况下,尽管系统稳定,但可能得到“错误”的试验结果;通过理论推导,证明提出方法的合理性和适用性;通过4种实时混合试验工况的模拟,验证物理子结构分别为线性刚度、线性阻尼、非线性刚度及非线性阻尼构件的时滞修正效果。结果表明:所提出的方法可以显著降低时滞对于试验结果的影响;该方法对试验中时滞补偿效果不理想的情况,可以对位移、速度和加速度结果进行修正。     

一类输出时滞系统的振动主动控制方法研究

为实施一类受复杂外扰作用结构系统的低频振动控制,相应的控制系统需引入高阶低通滤波器来消除输出测量中的噪声和高频干扰,以避免观测溢出,从而形成了含输出时滞的受控振动系统.为补偿该类滤波器带来的时滞影响,提出了考虑输出时滞的最优控制方法.首先采用Moore-Penrose广义逆求解方法将含有输出时滞的系统方程转换为对应的输入输出描述形式;然后利用扩维方法将含时滞的系统转换为不显含时滞的系统,并采用传统的LQ方法设计相应的控制律.最后以实际风洞测力试验模型的低频主动减振为研究背景,进行相应的数值仿真和实验验证.结果表明,该方法能有效抑制这类输出时滞系统的低频振动.同时确保输出信号中的高频成分和噪声干扰得到很大程度的衰减,有效避免了控制器的观测溢出问题.     

预估补偿器柔性机械臂振动时滞控制

为解决影响柔性机械臂振动主动控制系统稳定性和控制效果的时滞问题,在线性二次型高斯(liner quadratic Gauss,LQG)最优控制的基础上,提出应用Smith预估器进行时滞补偿,设计出针对LQG算法控制的时滞问题补偿策略,并根据Lyapunov方法进行新策略的稳定性证明,最后搭建柔性机械臂的振动主动控制系统,通过李沙育图形辨识出时滞常数,分别进行添加时滞补偿前后的LQG控制的对比实验。实验结果表明:时滞补偿后前机械臂前两阶模态振动抑制效果分别达到9.5 d B和8.1 d B,优于时滞补偿前LQG算法的控制效果。     

时滞加速度反馈的振动主动控制方法研究

在采用加速度传感器的振动主动控制中,为了克服加速度信号经数值积分分别得到位移信号和速度信号时的累积误差,并考虑系统中的输入时滞,基于等维法(Reduction Method)和输出状态导数反馈思想,提出一种连续时滞加速度反馈控制器设计方法。为了在实际测控系统中便于计算机操作,应用积分离散化方法,将该连续控制器转换为离散形式。以粘贴有压电陶瓷和加速度传感器的智能梁为仿真控制对象,采用该控制器控制含输入时滞的智能梁的自由振动系统,并与加速度反馈控制器控制的同一时滞系统的稳定性及控制效果作对比。仿真结果表明,所提时滞加速度反馈控制器具有较宽的参数稳定区间和较好的控制效果,且当系统时滞存在较小扰动时,该控制器对时滞量具有一定的鲁棒性。     

轮毂驱动电动汽车主动悬架的时滞控制

以轮毂驱动电动汽车主动悬架为研究对象,采用理论与数值模拟相结合的方法对主动悬架系统的时滞反馈特性进行研究。首先建立考虑控制时滞的轮毂驱动电动汽车4自由度主动悬架模型;然后基于H_∞控制理论,通过采用Lyapunov-Krasovskii泛函和自由权矩阵法,提出一种考虑时滞的H_∞控制策略;对电动汽车悬架系统在路面随机激励下的振动控制进行仿真分析,并与传统不考虑时滞的H_∞控制策略的控制结果进行对比。研究发现,时滞H_∞控制策略能够对时滞系统实现有效控制,不会引起系统发散。     

柔性基础主动隔振系统的缩聚建模和时滞问题研究

以复杂柔性耦合主动隔振系统为对象,研究其动力学建模和时滞主动控制问题。考虑筏架和基础的弹性,建立浮筏系统的有限元模型,并基于超单元动力缩聚技术,把系统的有限元模型在物理空间中进行减缩。考虑作动器的时滞效应,建立系统的时滞主动控制模型,对系统的最大时滞量和控制器的时滞稳定性进行了数值研究。数值计算表明,主动控制中有必要考虑时滞因素以避免失稳,本文所提出的方法易于保证控制系统的性能和稳定性。     

输液管道颤振失稳的时滞控制

采用时滞主动控制方法对输液管道的颤振失稳进行控制,以提高输液管道系统的临界流速.首先构造时滞控制策略并建立时滞控制的偏微分方程;然后利用伽辽金法离散时滞偏微分方程将其转化为时滞微分方程组,从理论上分析时滞微分方程的稳定性,并通过Matlab Biftool软件包对时滞控制系统的特征根分布情况进行模拟,与稳定性理论分析结果相当吻合;最后通过有限差分法对时滞偏微分方程进行数值模拟,与稳定性理论分析结果基本吻合.结果表明:通过时滞主动控制输液管道的颤振,控制策略简单,而且效果较好.     

地震作用下建筑结构的多时滞最优控制

对遭受地震激励的建筑结构主动控制中的多时滞问题进行研究.首先通过一种特殊的系统状态变量增广,将包含有多时滞项的系统状态方程转化为形式上不包含时滞的标准离散形式,然后采用离散最优控制方法设计时滞控制律.在所得出的时滞控制律中,除了包含有当前步的状态反馈,还包含有前若干步控制的线性组合.最后以三层建筑结构为例进行了仿真计算,验证了本文所给多时滞控制律的有效性.     

考虑时滞的结构AMD系统控制方法与效果分析

无线传感器网络的特点使得控制系统中不可避免地存在时滞,从而导致作动器产生的控制力不能及时地施加到结构上,影响控制效果。从考虑时滞的结构主动质量阻尼(AMD)控制系统的状态微分方程求得控制律,研究时滞线性系统振动的主动最优化控制方法并给出具体的实现过程。设计出的控制律表达式中既包括当前的状态反馈,又包括前若干步控制项的线性组合。若仍按无时滞控制设计对时滞控制系统进行控制将可能导致系统的响应发散,达不到对受控结构减振的目的。仿真算例表明,在一定的时滞量范围内,所提方法能够对结构的峰值响应和均方值响应均能达到较好的控制效果,而且确保了系统的稳定性。     

SATRE Modem发射时延的一种高精度测量方法

在高精度远距离时间传递中,设备时延是影响时间传递精度的重要因素之一.本文以卫星双向时间传递的SATRE Modem发射时延的测量为例,给出了一种BPSK调制系统时延的高精度测量方法.并对国家授时中心卫星双向比对所采用的SATRE Modem的发射时延进行了测量,测量结果与国外同行的测量结果符合度优于3.5 ns.     

基于颤振效应的气动比例阀摩擦力补偿研究

针对气动比例阀的摩擦力是造成其死区的主要因素,分析了比例阀摩擦力的产生原因.根据振动对摩擦力的影响,对气动比例阀叠加高频低幅颤振信号进行摩擦力补偿的机理进行了研究,并基于软件VC 和LabVIEW开发出摩擦力颤振补偿器.实验结果表明,通过在控制信号上叠加高频低幅的颤振信号,使阀芯始终处于微小振动状态,可以有效克服比例阀摩擦力,消除爬行现象,缩短滞后时间.该补偿方法具有较高的工程应用价值.     

振动主动控制中的时滞动力学问题

反馈环节的时滞会导致受控系统失稳，制约着振动主动控制技术的发展和应用。本文概述了作者近期对含时滞振动控制系统动力学的研究，包括：线性单自由度时滞系统的稳定性判据，线性多自由度小时滞系统的稳定性分析方法，Ｄｕｆｉｎｇ时滞系统的主共振与亚谐共振分析，时滞系统周期运动及稳定性的数值分析等。最后，指出了值得研究的一些问题。     

基于遗传算法的结构主动控制

提出了应用遗传算法进行结构主动控制的新方法，该方法能够在线计算控制力，对结构实施控制，并提出了解决该控制系统中时间滞后问题的方法，为该控制系统在实际中的应用打下了基础。     

基于Gram-Charlier展开的相空间重构时间延迟选择方法

时间延迟是相空间重构中的一个关键参数。利用冗余度作为标准来选择时间延迟具备充分的理论依据,然而冗余度的计算在实现上比较困难。基于概率密度的G ram-Charlier展开式,提出了一种简化的计算方法,该方法显著降低了冗余度计算的复杂度,使得冗余度方法能够有效地应用于相空间重构时间延迟的选择。     

输出时滞控制系统稳定性分析及控制器设计

考虑滤波器时滞对受控系统的影响,研究受控输出时滞系统的稳定性能。根据稳定性切换理论,确定多自由度受控系统的稳定时滞区域。经过分析获得受控系统脉冲响应衰减时间接近最短时的时滞量,在此基础上采用时滞引入法和滤波器设计法进行控制器设计。结合悬臂梁模型进行数值分析,结果表明:根据时滞系统稳定性分析设计的控制器能够使受控系统脉冲响应衰减速度提高80%以上,有效改善系统的控制效果和稳定性能。     

合成孔径声呐时延估计误差校正改进算法

由相位解缠错误造成的时延估计误差会严重降低合成孔径声呐时延估计的精度。现有的时延估计误差校正算法采用二次函数作为时延的拟合模型,该模型在距离向近端和远端处不符合时延空变规律,拟合误差较大且无法估计载体的横荡和升沉运动。针对该问题,文章提出一种改进的时延估计误差校正算法,利用时延的距离空变函数代替二次函数作为拟合模型。数值仿真和实验结果表明,相较于参考算法,改进算法校正时延估计误差的效果更好、速度更快,同时还能准确地估计载体的横荡和升沉运动。运动补偿结果显示了改进算法能较好地提升成像质量。     

高阶谱应用中应力波波速的估计

在应用冲击波法进行无损估计时,应力波波速测量是一项非常重要的工作。研究了基于高阶谱的时间延迟估计原理及其算法,并将其应用到基于冲击波法的双传感器测量应力波波速方法中,解决了传统的直接观察法中的人为误差的影响和噪声对测量精度的影响,降低了测量误差,波速数据具有更好的一致性,取得了满意的实验结果。     

磁流变半主动悬架的泰勒级数-LQG时滞补偿控制方法

提出一种泰勒级数-LQG控制方法进行磁流变半主动悬架时滞补偿控制。该方法利用泰勒级数对LQG控制求取的理想控制力进行时滞补偿,以使磁流变减振器的实际输出力逼近理想半主动控制力。在解析直接结合泰勒级数的LQG控制不能正常工作原因的基础上,提出了一种实用的泰勒级数-LQG控制设计方法,使得LQG控制结合泰勒级数之后LQR函数能够顺利运行。针对时滞较大时泰勒级数对控制的放大现象,并考虑到磁流变减振器性能和成本之间的平衡,以满足99%的减振控制要求确定磁流变减振器库伦阻尼力的幅值。以Smith Predictor-LQG(SLQG)控制方法为比较对象,通过仿真实例验证了泰勒级数-LQG控制方法具有良好的磁流变半主动悬架时滞补偿效果。