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基于压电致动器的柔性构件振动主动控制技术研究

吕永桂  
【摘要】: 对柔性构件的振动主动控制问题,结合国家自然科学基金项目,针对一类空间柔性杆系统的扭转振动及一类两连杆柔性构件系统中的柔性梁、柔性杆之间的弯曲-扭转耦合振动进行系统、深入的理论与实验研究。 第一章概述了课题研究的背景与意义。从柔性构件的系统建模、典型柔性构件的研究、智能材料的应用、致动器/传感器的优化配置、振动控制中的常用控制算法方面,综述了柔性构件主动控制的研究现状。最后阐述了本文的主要研究内容。 第二章阐述了压电材料的压电方程及压电应用。设计了一种采用轴向极化方式的压电扭转致动器,导出了此致动器的输出扭矩,分析了其谐振频率,探讨了此类致动器的制作加工工艺。分析了电阻应变片测量扭转振动的基本原理,推导了其扭转角与电桥输出电压之间的关系。 第三章简要分析了柔性杆的扭转振动。提出一种由柔性杆、压电扭转致动器、电阻应变片传感器所组成的空间柔性杆件系统。针对该柔性杆系统中压电致动器/传感器的位置优化配置问题,推导了系统的动力学方程,建立了系统的状态空间表达式。提出一种基于最小输入能量、最大能量传递、Grammian矩阵最小奇异值最大化的复合优化配置算法,运用遗传算法对压电扭转致动器/传感器的布局位置进行了优化。最后,进行了数值优化仿真研究,确定了致动器/传感器的最优配置位置,并与其它位置作了比较研究。 第四章基于线性二次型最优控制基本理论,研究了线性二次型最优控制理论中的加权矩阵Q的选择策略,提出一种基于遗传算法并具有约束条件的加权矩阵选择方法。以第三章所建立的系统为例进行了优化仿真研究,表明所提出的加权矩阵选择策略是有效的、可行的。同时也作了致动器/传感器在不同位置的控制研究,验证了相关优化理论的正确性。 第五章构建了一种由柔性梁与柔性杆所组成的具有弯扭耦合特性的空间两连杆柔性构件系统,将两种不同极化方式的压电致动器应用于此柔性构件系统的弯扭耦合振动主动控制。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。在柔性杆上粘贴压电扭转致动器抑制柔性杆的扭转振动,在柔性梁上粘贴压电弯曲致动器抑制柔性梁的弯曲振动。提出了两种控制策略,第一种是基于Lyapunov稳定性的速度反馈控制策略,第二种是带有饱和环节及低通滤波器的滑模变结构控制策略,对提出的两种控制策略,分别进行了主动控制数值仿真研究,并作了对比分析。 第六章构建了基于工业PC机为核心的柔性构件实验系统,对实验系统的软、硬件进行了阐述,分别进行了柔性杆系统及两连杆柔性构件系统的主动控制实验研究。实验结果验证了相关位置优化理论及控制理论应用的正确性。 第七章对全文进行了总结,并对未来的工作进行了展望。


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