主动约束层阻尼结构振动控制试验研究

基于主动约束层阻尼结构及独立模态振动控制方法,利用压电驱动器/传感器和粘弹性材料与薄板构成的复合层压阻尼结构,在理论研究的基础上,对一悬壁板结构进行了试验研究,给出了部分试验研究结果,分析总结了主动约束层阻尼结构的主要优缺点.     

基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器逆转现象分析

在压电陶瓷等效电学模型的基础上,结合外加驱动信号波形分析了基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器在工作过程中金属球产生逆转现象的原因,建立了金属球的转速及位移模型,采用快速放电回路和加速压电陶瓷放电的方法减小金属球的逆转位移及振动;利用压电陶瓷管作为微驱动元件,设计了基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器,并采用不同频率的三角波信号对所设计微驱动器进行试验测试.结果表明:驱动信号频率越高,微驱动器的振动现象越明显;当驱动信号频率接近、等于或大于微驱动元件(压电陶瓷管)的固有放电周期时,金属球出现无规律运动,导致微驱动器失效;根据1 Hz低频信号时的试验结果与计算所得结果基本吻合,证明了所建立的逆转理论模型的合理性.     

挠性自适应结构振动控制的分析与实验研究

采用自适应结构的原理和方法,对压电元件用于挠性结构振动控制的一些问题进行了探讨。对压电驱动器与结构的匹配关系进行了理论分析,对模态传感/驱动器在挠性悬臂板结构中的布置方案进行了优化设计,并进行了结构的振动控制实验,从而验证了方法的有效性     

考虑主动时滞的汽车悬架系统控制特性研究

以汽车悬架系统为研究对象,采用理论和试验相结合的方法对考虑主动时滞的悬架系统控制特性进行分析。首先建立含时滞悬架系统动力学模型,分析系统的控制稳定性。理论和仿真结果均表明,采用传统二次型最优控制律不能保证含时滞系统的稳定性。系统时滞量存在稳定区间,时滞超出稳定区间时系统将失稳发散;为了保证控制系统的稳定性,采用状态变换法设计了含时滞系统的主动控制律,计算表明,该控制律可以保证系统稳定性。研究还发现,时滞量的变化会使系统振动幅值产生较大改变,为此在控制系统中引入主动时滞,研究主动时滞对系统振动特性的影响,计算表明,合理的主动时滞可以降低系统振动幅值;为验证结果的正确性,搭建了悬架时滞主动控制试验平台,通过对相同工况下仿真结果与试验结果进行对比,发现两者具有较好的一致性;而由于悬架受到的路面激励具有随机性,采用含时滞系统的主动控制律对路面随机激励下的悬架系统进行控制分析,发现当主动时滞为0.04 s时,车身加速度均方根值比无主动时滞降低了39.4%,说明主动时滞对悬架控制的有效性。本文研究对时滞主动控制的理论研究具有重要的促进作用。     

挠性自适应结构控制的分析与实验研究

采用自适应结构的原理和方法，对压电元件用于挠性结构振动的一些问题进行了探讨。对压电驱动器与匹配关系进行了理论分析，对模态传感／驱动器在挠性悬臂板结构中的布置方案进行了优化设计，并进行了结构的振动控制实践，从而验证了方法的有效性。     

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.     

含间隙铰接的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制研究

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙. 铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态 运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响. 针对这一问题, 提出一种含间隙铰 接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法. 首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构 动力学模型. 然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学 模型,采用 Newmark 算法对非线性动力学方程进行求解. 基于压电纤维复合材料 (macro fiber composite, MFC) 驱动器 构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律. 分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用. 最后采用 MFC 驱动器对航天器施加主动控制. 结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于 MFC 的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.      

压电梁的主动消振实验研究

推导了压电梁的输入输出关系,建立了压电梁的传递函数模型,并进行了基于对消思想的主动振动控制实验,取得了理想的控制效果,表明了建模和控制方法的正确性与有效性.     

DYNAMICS AND CONTROL OF RIGID-FLEXIBLE COUPLING FLEXIBLE SPACECRAFT WITH JOINT CLEARANCE1)

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙. 铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态 运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响. 针对这一问题, 提出一种含间隙铰 接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法. 首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构 动力学模型. 然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学 模型,采用 Newmark 算法对非线性动力学方程进行求解. 基于压电纤维复合材料 (macro fiber composite, MFC) 驱动器 构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律. 分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用. 最后采用 MFC 驱动器对航天器施加主动控制. 结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于 MFC 的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.     

复合材料层合板的颤振特性及振动抑制研究

研究了超声速流中压电复合材料层合板的颤振特性及振动抑制方法。采用一阶活塞理论计算了超声速流场中的气动压力,基于经典层合板理论和Hamilton原理推导了压电复合材料层合板的动力学模型,设计了滑模观测器以减少观测溢出,通过Lyapunov方法证明观测器的稳定性,应用观测状态设计了LQR控制器,讨论了几何参数、铺设角度对压电复合材料层合板颤振特性的影响,利用SIMULINK仿真求解了层合板的脉冲响应,验证了控制器的有效性。结果表明,合理规划层合板的几何参数和铺设角度可提高系统颤振稳定性,滑模观测器能够较为准确地追踪原始系统且具有良好的鲁棒性,LQR控制可以在一定范围内消除层合板的颤振点,并且能够有效地控制压电复合材料层合板在颤振边界处的振动,Q矩阵越大,振动控制效果越好,压电层厚度越大,LQR控制效果越好。     

Dynamic modelling and active vibration control of a submerged rectangular plate equipped with piezoelectric sensors and actuators

The active vibration control of a rectangular plate either partially or fully submerged in a fluid was investigated. Piezoelectric sensors and actuators were bonded to the plate, and the assumed mode method was used to derive a dynamic model for the submerged plate. The properties of the piezoelectric actuators and sensors, as well as their coupling to the structure, were used to derive the corresponding equations of their behaviour. The fluid effect was modelled according to the added virtual mass obtained by solving the Laplace equation. The natural vibration characteristics of the plate both in air and in water were obtained theoretically and were found to be consistent with the experimental results, and the changes in the natural frequencies resulting from submersion in fluid can be accurately predicted. A multi-input, multi-output positive position feedback controller was designed by taking the natural vibration characteristics into account and was then implemented by using a digital controller. The experimental results show that piezoelectric sensors and actuators along with the control algorithm can effectively suppress the vibration of a rectangular plate both in air and submerged in a fluid.     

Design of active flutter suppression and wind-tunnel tests of a wing model involving a control delay

In this study, a delayed controller was designed for active flutter suppression of a three-dimensional wing model. The design of controller can be divided into two steps. At the first step, a short time delay was artificially introduced into the control loop and the dynamic equations of the aeroelastic system with delayed control were converted into a set of delay-free state-space equations by using a state transformation. At the second step, the control law was synthesized by using the theory of optimal control for the delay-free state-space equations. To demonstrate the performance of the delayed controller, the margin of time delay was studied. The numerical results showed that the delayed controller had good robustness with respect to the time delay. Moreover, the delayed controller was digitally implemented and tested for the three-dimensional wing model in NH-2 subsonic wind-tunnel. The experimental results illustrated that the critical flow speed of flutter instability of the wing model could be effectively increased from 36.5 m/s to 39 m/s.     

采用压电材料提高超声速飞行器壁板结构的颤振特性

采用压电材料对结构进行振动主动控制已经进行了广泛研究,论文进一步采用压电材料改进超声速壁板结构的气动弹性颤振特性,研究中考虑压电材料力电耦合效应的影响.采用Hamilton原理和Rayleigh-Ritz方法建立壁板及压电材料整体结构的运动方程,采用超声速活塞理论模拟气动力,利用加速度反馈控制策略对压电材料施加外电压,获得结构的主动质量.求解运动方程的特征值问题获得固有频率,进而确定气动弹性颤振边界,分析了反馈控制增益对超声速飞行器壁板结构主动颤振特性的影响,研究表明,采用压电材料可以提高超声速壁板结构的气动弹性颤振特性.     

Active vibration control and suppression for integrated structures

Spacesmictures,aircraftstrUctures,satellitesandsoonarerequiredtobelightinweightduetotherequirementofoperation.TheyarealsolightlydampedbecauseofthelowinternaldampingofthematerialsusedintheirconstrUction.Thus,theywillgeneraiClargeamplitudevibration,whichmayreducetheprecisionofoperationandaffectthePerformanceofoperation.Itisessentialtousesuitablecontrolsystemtocontrolthevibrationofsimctures.Sincethesesmicturesaredistributedparametersystemshavinganinfinitesetofvibrationmodes,thecontrolsystemwith…     

Wing box transonic-flutter suppression using piezoelectric self-sensing diagonal-link actuators

The main objective of this research is to study the capability of Piezoelectric (PE) self-sensing actuators to suppress the transonic wing-box flutter, which is a flow-structure interaction phenomenon. The unsteady general frequency modified Transonic Small Disturbance (TSD) equation is used to model the transonic flow about the wing. The wing-box structure and the piezoelectric actuators are modeled using the equivalent plate method, which is based on the first-order shear deformation plate theory (FSDPT). The piezoelectric actuators are used as diagonal-links. The optimal electromechanical-coupling conditions between the piezoelectric actuators and the wing are collected from previous work. Three main different control strategies; Linear Quadratic Gaussian (LQG) which combines the Linear Quadratic Regulator (LQR) with the Kalman Filter Estimator (KFE), Optimal Static Output Feedback (SOF), and Classic Feedback Controller (CFC); are studied and compared. The optimum actuators and sensors locations are determined using the Norm of Feedback Control Gains (NFCG) and Norm of Kalman Filter Estimator Gains (NKFEG), respectively. A genetic algorithm (GA) optimization technique is used to calculate the controller and estimator parameters to achieve a target response.     

Active control of structural acoustic pressure in a rectangular cavity using piezoelectric actuators

Active control of structural acoustic pressure in a rectangular cavity with a flexible beam is simulated numerically. The wave equation of the acoustic pressure and the equation of motion of the beam are approximated via the series expansions, and is then expressed in state space form. The control of structural acoustic pressure and vibration of the beam was implemented by applying the optimal voltage on piezoelectric actuators through an LQR controller. Two cases of different external forces acting on the piezoelectric laminated beam are illustrated. Results demonstrate that such a control system can efficiently reduce the structural acoustic pressure.     

基于主动控制策略的机翼颤振特性模拟

航空航天飞行器舵翼类结构的气动颤振是一种灾难性的动力学行为.在基于偶极子理论的气动弹性动力学模型中,气动载荷可表达为基于结构动力学响应的一种状态反馈的闭环控制力,控制律取决于翼型的几何参数、材料参数、结构动力学特性以及来流速度等多种条件,通常需通过实际飞行或风洞实验进行辨识与检验.在实验室条件下,以系统动力学响应的模态特征等效为前提,提出了一种基于人工主动控制的方式进行气动载荷下舵翼类结构自激颤振的特征值跟踪策略.建立并讨论了等效系统的非自伴随动力学微分方程及其特征方程的求解过程,并与通用软件的计算结果进行了对比,二者具有较好的一致性.通过优化搜索分别获得了位移和速度的最优反馈点、最优作动点位置及最优反馈增益系数,经对比计算拟合得到风速-位移增益曲线和风速-速度增益曲线,从而实现了由单点反馈、单点作动的集中力的闭环控制等效系统的真实气动力分布控制.仿真算例表明,由此预示的实验过程无需辨识和重构非定常气动力的时域波形,无需其他干预即可实现地面模拟实验,主动控制的效果满足预期,初步实现了自激颤振的特征值跟踪,为进一步推动主动控制模拟实验及颤振参数辨识提供了基础.      

机翼/外挂颤振主动抑制的控制律研究

本文介绍了对机翼/外挂系统的颤振抑制控制律的研究。并用三种控制律的结果进行了风洞实验验证。结果表明:控制律的设计是成功的,理论计算与实验结果吻合良好。 文中重点介绍了两种控制律,它们都是以现代控制理论为基础。首先,把最优控制理论与颤振分析的状态空间法相结合,得到状态反馈。然后导出不同的输出反馈。文中,还讨论了该系统的阵风减缓和稳定裕度。 为对比起见,还给出了在同一模型上,用气动能量概念方法导出的控制律。由此,可看出它们在颤振抑制效益上的差异。     

STUDY ON AEROTHERMOELASTICITY OF A HYPERSONIC ALL-MOVABLE CONTROL SURFACE

根据分层求解原理对考虑舵轴及舵轴与机身间隙影响下的高超声速飞行器全动舵面进行了热气动弹性分析. 采用计算流体力学（CFD）方法求解N-S 方程计算舵面周围的热环境,在该温度分布下根据结构壁面温度计算热流,应用傅里叶（Fourier）定律确定结构热传导过程及其内部温度分布,进而分析结构考虑热应力和温度对材料属性的影响下的模态固有特性,结合基于CFD 技术的当地流活塞理论,在状态空间中对舵面进行了热气动弹性分析. 结果表明,气动加热效应改变了结构的固有频率以及弯扭耦合频率之间的间距,进而改变了结构的颤振速度和颤振频率;随着热传导的进行,结构固有频率和颤振频率先快速减小后基本保持不变,弯扭耦合频率之间的间距和颤振速度则先快速减小后略有上升;舵轴及舵轴与机身间隙的存在对舵面的固有频率、颤振频率、颤振速度都产生了影响,使其最大下降了6%.