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新型主动隔振系统的理论与实验研究

曹青松  
【摘要】: 振动主动控制技术是指根据所检测到的结构振动响应,采用一定的控制策略,实时驱动作动器,使其对结构施加一定的作用以达到抑制结构振动的目的。由于其具有效果好、适应性强等潜在的优越性,已成为一条重要的振动控制新途径,可应用于航天结构振动控制、土木工程结构抗震、高速车辆隔振及其他机械设备振动控制等领域。压电材料由于具有频响高等诸多优点,适宜于振动主动控制领域,基于压电智能结构的主动控制技术正蓬勃发展。本文在此背景下开展主动隔振技术的相关理论及实验研究,重点研究一种基于压电智能结构的新型主动隔振系统,从概念、机理、理论与实验辨识建模、振动控制算法以及实验验证等多方面进行研究与探讨。 本文首次提出了主动弹性隔振系统的概念,建立了基于压电元件的新型主动弹性隔振系统的基本理论体系。并在综合考虑主动弹性隔振系统的隔振性能指标、内部性能指标以及作动器能力的基础上,建立了基于系统传递函数模型下的主动隔振系统优化模型。 建立了压电智能结构的通用性有限元模型。从讨论压电材料的本构方程入手,通过Hamilton原理以及变分方法获得微元体的单元方程,经过组装得到压电复合智能结构的通用性有限元模型。在此基础上对系统进行模态分析,并采用振型叠加法计算系统的动态响应,从运动方程中进一步求取系统的频响矩阵,从频域角度分析系统特性。针对Z形主动弹性隔振系统,通过带电自由度的梁元模型以及空间转换矩阵建立了系统的运动方程,并进一步推导系统的频响矩阵,计算系统的时域响应,对主动弹性隔振系统的特性进行了理论研究。 证明了主动弹性隔振系统辨识的可行性,分别建立了主动弹性隔振系统时域与频域辨识模型。从频域角度出发,讨论系统频响矩阵的各种估计模型,结合有限元理论仿真结果,重点对低阶模态进行辨识,以此建立系统的多输入多输出传递函数矩阵模型。从时域角度出发,进一步将系统模型转换成差分方程,建立神经网络与延迟线模块构成的时域辨识模型。通过系统辨识验证了理论建模的有效性,并为实施控制算法奠定了基础。 首次综合考虑主动弹性隔振系统的隔振性能指标、内部性能指标以及压电元件的作动能力,研究主动弹性隔振系统的振动控制算法。当系统扰动可测或有参考信号时,建立主动弹性隔振系统的自适应前馈控制算法,并发展多输入多输出系统的自适应前馈算法。当系统扰动未知时,对系统性能指标等采用加权函数的方式描述,将控制系统模型转换成标准的H∞设计问题。并结合神经网络辨识模型,研究并建立神经网络逆模型控制算法以及常规神经网络控制算法。当扰动功率较小时,仿真结果表明前馈控制算法与反馈控制算法均能满足综合性能指标的要求。 设计及研制了以计算机控制系统为核心的主动弹性隔振系统的整套实验装置。实验系统主要包括:弹性基体结构、信号处理电路板、功率放大器及电荷放大器以及基于MATLAB SIMULINK的系统软件等。对系统进行频域传递函数辨识、神经网络模型辨识、自适应前馈控制算法、鲁棒反馈控制算法等实验研究。实验结果表明,实施主动控制后,低频段能达到10dB左右的减振效果,可有效地降低共振峰值,该系统在高频段相当于被动隔振器,自适应前馈算法以及鲁棒反馈控制均能满足系统性能的综合要求,能有效地隔离系统的振动。


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