基于声辐射模态有源控制的误差传感器设计方法

为了获取有源结构声学控制系统中的误差信息,提出一种基于声辐射模态的误差传感策略来测量振动结构前几阶声辐射模态伴随系数.在低频时,控制前几阶声辐射模态伴随系数可以有效控制总声功率.通过在振动平板上测量少数点的振动速度分布,求解声辐射模态展开构成的欠定方程组,得到前N阶声辐射模态伴随系数近似值,以此近似值作为基于声辐射模态有源控制策略对应的误差传感器信号.以四边位移为零的振动板为例,对上述误差传感策略进行分析讨论.仿真和试验结果都表明误差传感策略是可行的,所获得的前N阶声辐射模态伴随系数具有较高的精度.     

结构振动模态耦合对辐射声功率的影响

定量研究了结构振动模态耦合对辐射声功率的影响。首先利用结构振动模态的叠加性,基于辐射声功率的二次型表达式,将总的声功率分解为各个模态自身辐射的声功率和模态间的耦合对声功率的贡献两部分;然后引入声辐射模态,得到一般结构模态间的耦合对声功率贡献的通用数学表达式。研究结果表明:在中低频范围内,振动模态间的耦合对辐射声功率的影响由振动模态的幅度大小、振动模态间的相位差以及振动模态与低阶辐射模态向量的内积等因素决定;以矩形平板为例进行了分析,并讨论了模态耦合问题在结构声辐射有源控制中的应用,最后进行了计算机仿真实例分析和验证。     

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。     

有源声学结构次级声源的布放规律研究

有源声学结构是近年来提出的一种控制结构低频声辐射的有效方案,它是智能结构在有源噪声控制领域的具体应用。次级声源的优化布放是有源声学结构研究中的核心问题,本文对此进行了研究。首先建立了有源声学结构的计算模型,然后基于声辐射模态和结构振动模态理论,推导总结出各种情况下次级声源的最优布放规律,最后用一系列的计算机仿真实例对该规律进行了验证。     

近场结构声辐射模态分析

为减小由瑞利积分计算结构声辐射功率的复杂性及结构振动模态声辐射耦合对辐射效率的影响,提出以有限离散思想为基础的结构近场声辐射模态分析方法,该方法对结构辐射表面进行离散化,利用叠加原理建立近场声辐射模态模型和辐射声功率的计算公式。以简支板为例,利用有限元和边界元法对近场结构声辐射进行仿真分析,计算了结构声辐射模态,辐射效率,声功率及场点声压等声场特性参数,并讨论了不同力作用位置对结构声辐射的影响,得到了简支板结构在简谐激励力作用下的近场声辐射特性。该分析对复杂结构声的近场声辐射仿真计算和主动控制有重要指导意义。     

基于平面声源的三层有源隔声结构误差传感策略研究

次级源为平面声源的三层有源隔声结构,系统易于实现且具有良好的低频隔声性能。误差信号的检测是实现该系统的关键问题。将分布式位移传感材料聚偏氟乙烯(Polyvinlidene fluoride,PVDF)薄膜敷设于系统外层辐射板来检测结构辐射模态幅值而实现误差传感。用声-振耦合理论对振动系统建模,选取合适的控制策略和目标函数,并推导检测辐射模态幅值的PVDF形状设计公式。根据控制前三层结构中声能量的带通传输规律,选取合适的控制目标作为误差信号,并对各阶辐射模态传感器形状进行分频段设计。结果表明,由于三层结构特殊的能量传输规律,以辐射板前三阶辐射模态为控制目标即可获得理想的降噪效果。结合能量传输的带通特性,设计的各阶辐射模态幅值PVDF传感器只检测其声辐射占主导的频段内的辐射信息,保证传感精度的同时有效简化了PVDF形状。     

基于分层理论的层合板结构声辐射模态传感器设计

在低频时控制振动板结构的声辐射模态幅值是降低结构辐射声功率的一种有效策略。提出一种阵列式压电式传感器的设计方法测量复合材料层合板结构声辐射模态幅值。通过聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)传感器阵列输出信号设计加权系数,使PVDF传感器阵列输出信号为所需结构声辐射模态幅值。加权系数取决于复合材料层合板结构振动模态表达式。由于复合材料层合板结构复杂动力学特性,通过分层理论结合有限元法得到离散结构模态值,并对有限元离散结构模态进行最小二乘法的曲线拟合,从而得到层合板结构振动模态表达式。数值结果表明该方法计算层合板结构模态以及PVDF声辐射模态传感器设计是可行的。对试验数据进行分析比较。     

压缩机机体声辐射的模态特性研究

采用有限元和边界元方法建立了轻流体介质中复杂结构振动声辐射的模态分析模型,可计算结构的声辐射模态频率、模态场点声压、模态辐射声功率和声辐射效率等声场特性参数。对K5206NM压缩机机体进行了模态分析和声辐射模态参数计算,获得了机体的声辐射特性,从而为机体的低噪声设计提供了依据。     

基于模态振型形状优化的结构声辐射控制

针对复杂结构形状难以参数化的问题,建立基于有限元网格的参数化形状优化模型,提出一种基于模态振型的结构形状优化方法以控制结构声辐射功率。该方法通过有限元法计算结构的振动特性,然后采用瑞利积分进行结构的声辐射分析,在此基础上,用一组模态振型绝对值线性组合定义修改区域的形状优化函数,以每阶模态振型贡献因子为设计变量,通过改变模态振型贡献因子来优化结构的形状,达到降低结构声辐射功率的目的。研究简谐激励力下的结构声辐射优化,以结构声辐射分析频率带内的辐射声功率均值为设计目标,结构有限元结构坐标的最大变动值及模态频率为设计约束,利用序列二次规划算法进行优化求解。以几何平板和复杂曲面为数值算例,研究结果表明该方法可以有效控制结构声辐射。     

基于ANSYS的磁悬浮挠性转子模态分析与设计

以一台磁悬浮挠性实验转子为例,结合ANSYS软件,探讨了磁悬浮挠性转子的模态设计方法,研究了支承刚度对转子模态频率和模态振型的影响,在此基础上,分析了过临界转速的磁悬浮挠性转子支承刚度的设定原则,并给出了磁悬浮实验转子的合理支承刚度范围。研究表明：影响转子模态可观性和可控性的一个重要因素是径向磁力轴承转子和位移检测环的长度之和与转子总长度的比值;支承刚度除了影响转子的模态频率外,还影响转子的模态振型,并且当支承刚度高到一定程度后,模态的可控性和可观性严重恶化,甚至可能导致磁悬浮转子过临界转速时失稳。     

基于同位加速度负反馈的振动主动控制研究

基于同位加速度传感/压电驱动的反馈方法,对用扬声器进行声激励的四面固支铝板开展多模态振动主动控制研究。根据实验模态分析的结果,确定了传感和驱动的位置。经过压电片传感/压电片驱动和加速度传感/压电片驱动两种方案的对比,选择了能观性和能控性较好的加速度传感方式。在正位置反馈控制律（positive position feedback,简称PPF）的基础上,以加速度信号进行反馈控制律的设计,提出基于加速度负反馈控制方案 (negative acceleration feedback,简称NAF),并对其进行稳定性和控制机理分析。控制时以加速度信号作为评价指标,对64和158 Hz两个模态分别进行单模态和多模态控制。结果表明,基于加速度的反馈控制可以大幅度降低铝板的振动,最大控制效果可达11 dB,远大于PPF的控制效果,对单模态和多模态均能实现有效的振动控制。     

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。     

STUDY ON CONTROLLABILITY AND OBSERVABILITY FOR THIN PLATE SYSTEM WITH PARAMETER UNCERTAINTY

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柔性冗余度机器人振动主动控制系统特性分析

研究了基于机敏材料的柔性冗余度机器人振动主动控制系统的可控性与可观性。建立了受控系统的状态空间表达式，提出了离散时变系统的可控性与可观性分析的简化判据，为设计状态反馈控制器与状态观测器以改善柔性冗余度机器人的动力学品质奠定了基础。最后，以具有一个位置冗余度的平面3R柔性机器人为例，进行了计算机仿真。     

Calculation of controllability and observability matrices for special case of continuous-time multi-order fractional systems

In this paper, controllability and observability matrices for pseudo upper or lower triangular multi-order fractional systems are derived. It is demonstrated that these systems are controllable and observable if and only if their controllability and observability matrices are full rank. In other words, the rank of these matrices should be equal to the inner dimension of their corresponding state space realizations. To reduce the computational complexities, these matrices are converted to simplified matrices with smaller dimensions. Numerical examples are provided to show the usefulness of the mentioned matrices for controllability and observability analysis of this case of multi-order fractional systems. These examples clarify that the duality concept is not necessarily true for these special systems.     

A novel design strategy for iterative learning and repetitive controllers of systems with a high modal density: Theoretical background

This paper discusses the design and application of iterative learning control (ILC) and repetitive control (RC) for high modal density systems. Typical examples of these systems are structural and acoustical systems considered in active structural acoustic control (ASAC) and active noise control (ANC) applications. The application of traditional ILC and RC design techniques, which are based on a parametric system model, on systems with a high modal density has several important drawbacks: the design procedure is complex, the controllers require much computational power and the robustness of the controllers is low. This paper describes a novel strategy to design noncausal ILC and RC filters, which is especially suited for high modal density systems. Since it does not require a parametric system model, the novel strategy avoids several drawbacks of the traditional techniques: no cumbersome parametric model estimation is required; the ILC and RC controllers are robust to small changes of the poles and zeros of the controlled system; and the complexity of the ILC and RC control filters is restricted. A crucial element in the proposed strategy is the noncausal filtering in the ILC and RC controllers, which requires the availability of a trigger signal to announce a new ILC trial or RC period in advance. A numerical validation on a simulation model proves the potential of the developed strategy.     

PIEZOELECTRIC ACTUATOR AND SENSOR MODELS FOR AN INFLATED TOROIDAL SHELL

Due to their low mass and conformability, actuators and sensors made of active materials can be used in the vibration control of inflatable structures. In this study, we model piezoelectric patches attached to an inflated toroidal shell as actuators and sensors. Using Sanders' shell theory in the presence of initial stresses, the generalised forces due to the piezoelectric actuators are derived for the inflated toroidal shell assuming quasi-static conditions. The derivations are given for both unimorph and bimorph configurations. Effects of the mass and stiffness of the patches are incorporated in the equations of motion. Thereafter, a sensor equation is presented. Within linear shell theory, the methodology is quite general in nature and can be applied easily to other types of shells and membranes. To demonstrate this, we specialise the actuator and sensor equations for a circular cylinder. Using the formulations for the inflated toroidal shell, the modal forces and modal sensing constants are calculated for different sizes and locations of the piezoelectric patches. Along with this, controllability and observability indices are calculated to quantify the performance of the actuators and sensors. A study of the stiffness and mass effects of the piezoelectric patches is performed using frequency response function.     

An analysis of static output feedback control for tendon driven master-slave manipulator — Simulation study

In this work, a bilateral control for a master-slave manipulator system which will be used for handling objects contaminated by radioactivity has been addressed. The links of manipulators are driven independently by individual motors installed on the base and the driving torque is transmitted through pre-tensioned tendons. The measurable variables are the positions and rates of master/slave motors. In the consideration of the flexibility of the power transmission tendon and available measurements for control, we proposed an optimal static output feedback control for possible bilateral control architecture. The system model is reduced to guarantee the controllability and observability which are necessity for the static output feedback control by using modal analysis. Based on the reduced model, the control gains are determined to attenuate vibration in the sense of optimality. The feasibility of the proposed control design was verified along with some simulation results.     

基于事件的控制理论研究及其应用

基于事件的规划与控制系统是以非时间运动参考变量作为系统的描述参数,其相关理论内容包括系统的稳定性分析、能控能观性分析等都需要深入研究。针对某一类输入仿射非线性系统,利用非线性系统的反馈线性化理论证明基于事件控制的能控性问题,并在此基础之上利用非线性微分几何理论的能控分布和能观协分布基本概念研究非完整约束系统的基于事件控制的能控能观性问题。以两轮差动移动机器人为应用对象,进行相关分析工作。进行仿真,比较基于时间控制和基于事件控制的方法在时延系统中的控制效果,仿真结果表明基于事件控制能有效地克服系统随机时延带来的影响,在时延系统中明显优于基于时间的控制。