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基于噪声控制的弹性连杆机构结构—控制一体化设计研究

卢剑伟  
【摘要】: 工业领域广泛使用着以弹性连杆机构为主体的各种高速机构,这些机构由于阻尼小、整体大位移和局部弹性变形之间存在刚弹耦合,所以极容易受到外界的干扰发生振动并产生强烈的噪声辐射,对周边环境造成噪声污染。工业生产中的噪声问题已经越来越受到人们的重视,噪声控制技术已经成为现代机电产品绿色设计的主要研究内容之一。对高速机构进行准确的噪声辐射性能分析,有效的抑制机构噪声辐射,是我们必须面对的一个重要研究课题,这也是机械、航空航天及军事工业等领域设计良好产品所必须解决的关键问题之一。本文对弹性连杆机构声辐射性能分析、控制等问题进行了详细的讨论,取得了一些有价值的理论研究成果。 本文基于对弹性连杆机构的弹性动力学分析,建立了机构的有限元动态方程。从机构振动响应出发,对机构声辐射性能指标的计算进行了详细地分析,通过算例对弹性连杆机构声辐射规律进行了讨论。通过对弹性机构振动波数谱分析,得出了机构振动与声辐射之间的关系。并依此对机构动态方程进行了改造,得出了一个以机构声辐射性能的量度为变量的新的动态方程,为后面机构声辐射控制研究提供了方便。 采用结构优化的方法对机构声辐射控制问题进行了研究。选取机构杆件厚度为设计变量,以机构质量和声辐射性能量度的加权和为目标函数,应用改进了的变尺度优化算法对优化问题进行了求解。另外,还对结构重分析中摄动法的应用进行了讨论。 对弹性机构声辐射主动控制方法进行了讨论。依据线性最优控制理论,对最优控制力的确定以及控制器设计进行了深入分析。同时,对压电材料作动器的工作原理及在弹性连杆机构噪声控制中的应用进行了探讨。 在机构声辐射控制中引入了结构—控制一体化设计思想,分别采用两种方法对基于噪声控制的机构结构参数和控制系统集成设计问题探讨。在第一种方法中,结构最优控制力仅依赖于结构设计变量,它们之间的关系可以由一个矩阵Riccati方程来确定,从而将综合设计变量缩减为结构设计变量。在第二种方法中,以参数化矩阵作为二次型性能指标中的权矩阵,由于参数化权矩阵与机构控制力之间存在的对应关系,可以将权矩阵的参数化系数作为控制系统参数,与结构设计参数一起同时作为独立的设计变量,对目标函数进行优化分析。 在目前实验条件尚不能实现机构声辐射性能测定实验的情况下,采用实验与仿真分析相结合的方法,在自搭的弹性连杆机构多功能实验台上通过实验测得机构动态响应的结果,然后利用专门的声学分析软件SYSNOISE进行声辐射 西北工业大学博士学位论文 性能仿真实验分析,可以将其视为实验结果。经过比较,验证了本文机构声辐 射分析计算方法的正确性。


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