层叠式PVDF压电作动器及圆柱壳的振动主动控制

设计了一个层叠式PVDF压电作动器用于壳结构的振动控制。考虑压电层、粘接层、壳体耦合关系,推导了表面局部粘贴层叠式PVDF压电作动器的圆柱壳的振动控制方程,给出了作动力与压电层和粘接层层数、厚度之间的关系以及作动力与作动器粘贴位置之间的关系。针对一端固定、另一端自由的圆柱壳,进行了振动控制仿真。结果表明层叠式PVDF压电作动器作动力与作动器层数近似成线性关系,增大作动器层数能有效增大作动力,在低控制电压下能显著抑制圆柱壳振动,作动器周向不完全粘贴时,在径向产生的径向作动力对壳体横向振动控制非常有利。说明了层叠式PVDF压电作动器是一种可用于壳体结构振动并具有良好作动效果的作动器。     

风力机叶片压电振动的主动控制研究

提出了将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新结构的概念。本文将智能材料作为传感器和作动器,通过机电耦合抑制叶片的振动;利用有限元软件 Algor 分析在气动力作用下叶片的应力、应变;基于压电陶瓷第一压电方程,将风电叶片简化成柔性悬臂梁,建立了压电智能悬臂梁状态空间的动力学模型;针对此系统利用最优控制理论进行主动振动控制,设计了在系统低阶模态空间的振动控制器。最后通过计算机仿真得出：系统振动幅度缩小了约20%,振动时间减少了约80%,从而说明了此主动振动控制方法的有效性和可行性,对防止叶片这一弹性体发生颤振也起到一定的作用。     

基于MFC的结构静态形状控制研究

宏纤维复合材料MFC(Macro Fiber Composite)具有体积小、主动控制适用性强、作动效果好等特点。本文开展了宏纤维复合材料MFC对结构静态形状主动控制研究。建立了悬臂梁结构有限元模型,并采用载荷比拟法计算得到了MFC压电作动器的驱动载荷。基于数值分析结果,搭建了悬臂梁结构主动控制实验平台,分析了不同加载电压下的悬臂梁的弯曲变形效果,进而分析MFC结构在静态形状控制中的力学性能。数值仿真和实验结果表明:在不同的静态电压加载下,结构的变形和加载电压近似呈线性关系;仿真和实验结果对比中呈现出较好的一致性,其最大位移误差为12.45%。最后讨论了MFC压电作动器自身时间蠕变特性对静态变形控制实验结果产生的影响,结果表明在大电压作用下MFC材料存在蠕变效应,在实际使用过程中需要关注。本文采用以悬臂梁为载体的实验和仿真研究方法对在其他横观各向同性材料的压电材料力学性能分析具有普遍适用性。     

介电弹性作动器主动隔振模糊控制试验研究

采用模糊控制策略,开展介电弹性作动器的主动隔振性能试验研究。基于介电弹性材料的Maxwell应力模型建立了作动器的力电耦合模型,分析了作动器的非线性特性;针对隔振系统设计了Mamdani型模糊控制器,建立了控制电压信号与振动响应之间的关系;在此基础上,开展了介电弹性作动器主动隔振试验研究,并与加速度反馈控制进行了对比。试验结果表明,在相同驱动电压的情况下,基于模糊控制策略的主动隔振性能要优于加速度反馈控制,且能够显著降低由于非线性驱动力导致的倍频响应幅值,有助于提高隔振系统的稳定性。     

压电自感知悬臂梁振动的主动控制研究

利用压电片的正逆压电效应,提出了一种基于分时结构的自感知作动器,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,对一悬臂粱的振动主动控制研究表明该自感知作动器在实际上是可行的。     

柔性结构作动器／传感器优化配置研究

从有效衰减振动能量的角度出发,在对位配置作动器／传感器的情况下,通过最小化系统总储能积分,对柔性结构振动主动控制中的作动器／传感器位置及反馈增益进行了优化。在优化方法上,作者提出了一种快速收敛的遗传算法,即“适应度缩放” 加引入“有偏外来移民”的遗传算法。实验结果表明了该方法的有效性和控制系统的良好减振效果。     

旋转运动柔性梁的时滞主动控制实验研究

对旋转运动柔性梁的时滞主动控制进行实验研究,验证时滞反馈控制的有效性. 实验中采用交流伺服电机带动柔性梁旋转运动,柔性梁上粘贴有压电作动器,用于控制梁的弹性振动. 实验研究考虑如下3种情况:(1)仅使用电机扭矩进行控制,电机扭矩存在时滞;(2)使用电机扭矩和压电作动器同时控制,仅压电作动器存在时滞;(3)使用电机扭矩和压电作动器同时控制,电机和压电作动器存在不同的时滞量. 重点通过实验验证时滞反馈控制的可行性和有效性.      

具有粘弹性电磁式主动动力吸振器主动控制试验研究

电磁作动器是吸振器的常见形式,其设计多种多样,本文研制了一种粘弹性电磁式主动动力吸振器,与常见电磁作动器的设计上在电磁铁和永磁铁之间采用弹性元件不同,这种新型作动器在电磁铁和永磁铁之间采用的是粘弹性材料,本文从理论上分析计算了电磁铁和永磁铁之间的作用力,制作了作动器模型,设计了实验,并将此作动器附着于铝质悬臂梁的自由端,利用这种作用力作为控制力对悬臂梁的振动进行控制,证明了此吸振器具有良好的吸振效果。     

柔性作动器驱动的非线性系统随机振动的最优有界控制

柔性作动器具有低刚度、大变形等特征,这一方面使主结构具备了强的环境适应性,另一方面也使主结构易受外界微扰影响,从而降低其操作精度．本文以介电弹性体作动器驱动的单自由度非线性系统为研究对象,通过即时微调电压,抑制系统在平衡位置附近的随机振动．通过随机平均法降低系统维数,将原系统的控制问题转化为关于慢变过程的控制问题;结合随机动态规划原理及控制约束导出最优有界控制策略．该策略具干摩擦形式,具有能量耗散本质,在抑制系统振动的同时提高了系统的稳定性．数值研究表明：最优有界控制策略具有良好的控制效果、控制效率及较高的鲁棒性．     

基于菱形压电作动器和内模控制策略的微振动隔振研究

提出了一种以菱形压电作动器为隔振元件,并结合内模控制策略的微振动主动隔振方法。首先设计并分析了菱形压电作动器,分析其力电耦合特性;以单自由度主动隔振系统为例,建立了隔振系统的动力学模型。在此基础上,设计了基于内模控制的主动隔振策略,进行了含有模型误差、迟滞等多工况的数值仿真分析。仿真结果表明,隔振位移传递率最大可达94%。菱形压电作动器结合内模控制策略的振动主动控制技术具有较好的隔振能力,为进一步微振动平台的主动隔振设计与实验研究奠定了基础。     

一种逆优化设计振动控制作动器的数目和位置的方法

在建立了悬臂梁上粘贴压电陶瓷片实现振动控制的动力学方程的基础上，研究了一种逆优化设计作动器／传感器的数目和位置的方法；用压电陶瓷作为自传感器作动器，以悬臂梁的振动控制为研究对象，要求振动控制系统具有一定的模态阻尼比，并以作动器控制力最小为目标函数，优化设计作动器／传感器的数目和位置。最后通过数值算例证明了该方法的有效性。     

振动主动控制系统降级工作模式研究

振动主动控制系统是通过获取振动传感器信号、驱动作动器施加作动力以降低平台振动水平的机电综合系统。对于振动环境恶劣的装备平台,振动主动控制系统工作的稳定性直接影响平台使用体验。当系统内硬件数量较多时,系统对部件可靠度敏感度较高。为了提高系统功能可靠性,保证装备平台安全,在不改变硬件的前提下,本研究从优化控制策略出发,提出了两种系统降级模式,并对其进行可靠性分析;在降级模式的基础上,基于切换系统方法,针对硬件故障数量的不同设计不同等级的降级模式;针对不同降级模式下系统控制参数,对作动器进行最优组合设计,得到在不同降级模式下系统减振控制的最优高维度模型矩阵;最后在实验室内,基于振动主动控制系统实验环境,针对作动单元降级模式进行了实验验证,通过模拟部件故障状态,验证系统降级工作策略与控制模型优选设计的正确性,提高了系统功能可靠性。     

考虑可控性的压电作动器拓扑优化设计

压电作动器可以把电能转换成机械能,在结构主动振动控制中具有应用背景.由于压电作动器的布局对振动控制效果影响很大,因此作动器布局优化一直是结构控制研究的关键之一.为了提高压电结构控制能量的利用效率,本文提出了以提高结构可控性为目标的压电作动器的拓扑优化方法.基于经典层合板理论对压电结构进行了有限元建模,并采用模态叠加法将动力控制方程映射到模态空间,推导了基于控制矩阵奇异值的可控性指标.优化模型中,选取可控性指标指数形式为目标函数,将设计变量定义为作动器单元的相对密度,并基于人工密度惩罚模型构造了压电系数惩罚模型,给出了基于控制矩阵奇异值的可控性指标关于设计变量的灵敏度分析方法.优化问题采用基于梯度的数学规划法求解.数值算例验证了灵敏度分析方法和优化模型的有效性,并讨论了主要因素对优化结果的影响.     

考虑可控性的压电作动器拓扑优化设计

压电作动器可以把电能转换成机械能,在结构主动振动控制中具有应用背景. 由于压电作动器的布局对振动控制效果影响很大,因此作动器布局优化一直是结构控制研究的关键之一. 为了提高压电结构控制能量的利用效率,本文提出了以提高结构可控性为目标的压电作动器的拓扑优化方法. 基于经典层合板理论对压电结构进行了有限元建模,并采用模态叠加法将动力控制方程映射到模态空间,推导了基于控制矩阵奇异值的可控性指标. 优化模型中,选取可控性指标指数形式为目标函数,将设计变量定义为作动器单元的相对密度,并基于人工密度惩罚模型构造了压电系数惩罚模型,给出了基于控制矩阵奇异值的可控性指标关于设计变量的灵敏度分析方法. 优化问题采用基于梯度的数学规划法求解. 数值算例验证了灵敏度分析方法和优化模型的有效性,并讨论了主要因素对优化结果的影响.      

带有末端集中质量的双连杆柔性机械臂主动控制

对带有末端集中质量的双连杆柔性机械臂的主动控制进行了研究,给出系统的动力学方程,采用非线性解耦反馈控制方法分别得出系统大范围运动方程和柔性臂的动力学方程,采用机械臂逆动力学方法和LQR方法分别设计大范围运动控制律和压电作动器控制律.仿真结果显示,本文控制方法能够有效地进行机械臂的轨迹跟踪,柔性臂的弹性振动可以得到有效抑制.     

柔性梁受迫振动时滞变结构控制的试验研究

时滞反馈控制是一种利用时滞进行系统控制的策略,目前对该控制策略的研究多是在理论上进行探讨,少有试验研究报道. 以受简谐激励的柔性悬臂梁为对象,开展时滞反馈控制的试验研究,给出了一个多时滞控制律的设计方法. 首先给出悬臂梁系统含有时滞项的控制模态状态方程; 然后对方程进行离散化和一种特殊的状态变量增广,得到形式上不含有时滞项的标准差分方程; 最后使用离散变结构控制的方法设计控制律. 试验中采用压电片作为作动器和外界激励,应变片作为传感器,分别考虑单时滞和双时滞的情况,通过试验验证了时滞反馈控制的可行性和有效性.关键词:柔性悬臂梁;变结构控制;时滞;实验      

密集模态挠性结构传感器/作动器的优化配置

在适当的假设条件下,推导出了压电作动器产生的弯矩与输入电压的关系式及压电传感器输出电压与输入弯矩的关系,进而得到H型密集模态挠性板模型的状态空间表达式,并由此模型出发,采用一种基于能量的传感器/作动器的优化配置策略,该准则可以很自然地研究整个动态模型的可控性和可观性,进而确定传感器/作动器的位置。针对H型密集模态挠性板振动主动控制的数值仿真表明了该准则的有效性。     

扁壳结构弯曲与扭转振动控制试验研究

扁壳结构的弯曲与扭转振动控制对该类结构的应用具有重要意义。本文采用不影响壳体结构的粗压电纤维复合材料(MFC)作动器对其弯曲与扭转振动进行主动控制。建立局部表面粘贴MFC作动器的开口圆柱扁壳的动力学解析模型,得到了作动力和作动力矩的解析表达式,分析了扁壳结构上MFC作动器在弯曲与扭转振动控制中的作动机理。针对一开口碳纤维圆柱扁壳,设计了模糊PD控制器,开展了定频与随机激励下壳体弯曲与扭转振动控制试验,并与传统PD控制试验效果进行了对比。结果表明:MFC作动器在壳体弯曲和扭转振动控制方面作动能力突出;模糊PD控制器的控制效果优于传统PD控制器的控制效果。     

飞机结构振动主动控制应用技术

阐述了以压电材料作为感受器与作动器进行真实飞机结构振动主动控制的一些应用技术,利用这些技术进行了真实飞机座舱结构的主动振动控制地面试验研究,取得了很好的控制效果.     

电磁约束阻尼层结构振动主动控制研究

基于弹性、粘弹性、电磁学理论,应用Hamilton原理,导出了覆盖电磁约束层阻尼(EMCLD)主动控制方式的梁的控制方程,并针对覆盖EMCLD的悬臂梁,进行了主动控制仿真模拟,得到了较好的控制效果,分析了控制电流和阻尼层厚度对控制效果的影响.结果表明电磁约束阻尼技术具有结构简单、作动方式合理、耗能低的优点,是一种有效的振动主动控制方式.