点式压电智能结构振动控制方法改进的研究

【摘要】：压电智能结构振动控制是近几年国内国外备受关注的研究领域,在此领域中,模态空间控制和最优控制是常用的理论与方法。同时,在建立压电智能结构振动控制系统的三个阶段(系统建模、控制律设计、系统实现)中还存在一些有待进一步研究的课题。为此,本文以模态控制和最优控制理论为基础,针对压电智能结构振动控制系统建立的三个阶段中的问题,进行了表面粘贴点式压电智能结构振动控制方法的改进、计算机仿真及实验研究。本论文的主要内容如下:首先应用摄动有限元法对受控结构的模型进行了修正;然后从最优控制理论出发,针对模态控制,提出了二次性能指标中权矩阵的混合优选法;接着,较详细地论述了独立/耦合模态联合控制方法和主/被动混合控制方法;接下来,在系统实现方面,研究了压电作动器/传感器的最大模态力优化准则,阐述了分时段压电自感知作动器的工作原理和实现的可行性;最后,分别对双层空间框架的振动控制和压电智能悬臂梁进行了计算机仿真和实验研究。本课题是国家自然科学基金、国家教委博士点资助项目(5963140)、航空工业总工司基金联合资助项目“智能机械结构和系统基础”和国家自然科学基金项目(50135030)“机械系统中若干基础问题的研究”的一部分。本文主要内容包括七章: 从智能结构的基本概念出发,简要介绍了压电智能结构在振动控制中的应用及发展情况,最后,提出了本文的研究内容和目标。 介绍了点式压电智能结构振动控制的基本理论。主要包括梁、板的FEM模型及其闭环动力学方程、压电作动和传感方程、压电传感器/作动器的位置优化、二次型问题和摄动有限元法。 本章由三部分内容组成:FEM有限元模型修正;线性二次性能指标中权矩阵的优选;压电智能板的振动控制,及压电作动器/传感器的位置优化。 讨论了对控制方法进行改进的两种方法:其一是结构振动控制的独立模态与耦合模态联合控制研究。利用该联合控制方法,可实现在一个控制过程中实时跟踪主要被控模态,从而对其实施独立模态控制以达到有效地抑制结构的主要振动;同时对其它非主控模态则实行耦合模态控制。这样,可使控制系统的稳定性提高、减少作动器/传感器的数量、降低控制能耗,并能在不同的激励下达到最佳的控制效果。其二是智能结构振动的模态主动控制与阻尼被动控制的混合控制研究。模态空间控制法是一种有效的主动控制方法,但由于模态的截断会导致溢出而使稳定性不太理想。结构表面涂以阻尼涂层的被动控制与主动控制方法相结合,可实现阻尼对高阶模态的有效抑制与对低阶模态的主动控制的结 WP=6 合,提高系统的稳定性。 分时段自感知压电作动器的研究。为使控制系统达到优化且易于实现的目的,利用压电材料的正逆压电效应,提出了一种基于分时原理的压电自感知作动器,将压电片作为传感器和作动器的功能在时间上进行分离,以实现用同一压电片在作动与传感之间的功能切换,并探讨了其用于主动控制的可行性。 对双层空间框架的振动控制进行了仿真研究。着重研究了独立/耦合模态联合控制、自感知振动控制、主/被动混合控制三个方面的仿真效果。 压电智能梁的振动控制的实验研究。用实验研究了模型修正对控制效果的影响、压电自感知作动器的可行性、主/被动混合控制效果等三方面的内容。