模型不确定压电柔性结构的多目标振动控制

以压电柔性结构为对象,考虑其被控模态参数的不确定性和因剔除残余模态所引起的动态不确定性,建立了结构的不确定线性分式模型;根据不确定模型设计了一个对结构进行振动控制的动态输出反馈控制器,使闭环系统满足鲁棒稳定、扰动抑制、极点配置约束及控制输入约束等性能要求;并利用线性矩阵不等式,将具有多个性能要求的振动控制问题转化为具有线性矩阵不等式约束和线性目标函数的凸优化问题。最后以简支压电柔性梁为例,设计了一个融合多性能指标的动态输出反馈非同位控制器,并给出了仿真结果。     

具有区域极点约束的柔性梁鲁棒H∞振动主动控制

本文基于H∞控制理论研究了传感器和作动器非同位配置情况下,柔性悬臂梁的多模态振动抑制问题。采用频域辨识方法获取低阶名义模型,合理选取加性不确定权函数和性能权函数,将鲁棒H∞控制问题转化为标准H∞控制问题。为了避免H∞控制器设计过程中产生的零极点对消问题,在求解过程中引入区域极点约束。比较了鲁棒H∞控制器和不考虑高阶未建模动态的非鲁棒H∞控制器的控制效果,实验结果表明,设计的鲁棒H∞控制器能够有效抑制柔性梁的前三阶模态振动,而且不会发生溢出问题。     

SELF-CORRECTED PID VIBRATION CONTROL BASED ON DUAL-FREEDOM DUAL-DRIVE INTELLIGENT CANTILEVER BEAM 1)

随着科技不断进步,智能结构的振动控制在航天航空、机械制造、车辆与船舶等领域得到了广泛应用。由于多输入多输出存在多样性和复杂性,严重威胁系统稳定性。为了解决这一问题,针对两输入单输出的双驱动智能悬臂梁系统提出一种自适应控制策略,首先基于压电线性本构方程,应用假设模态方法建立双驱动智能悬臂梁的力学模型,得到了基于闭环控制系统的状态方程,同时利用递推最小二乘法在线辨识系统参数设计比例积分微分(proportional--integral--derivative, PID)控制器实现自校正PID控制。通过数值仿真对比在有无PID 控制下两输入单输出双驱动智能悬臂梁系统的振动情况,分析自校正PID 控制的控制效果。通过实验验证自校正PID 控制对双输入单输出的双驱动智能悬臂梁系统的控制效果;再设置两组不同的单输入单输出自校正PID控制实验作对比。结果表明：自校正PID 控制方法可以较为有效地抑制智能悬臂梁的自由振动,相比单输入单输出的两组,两输入单输出自校正PID控制的效果更为明显和有效。     

海洋平台地震响应的H∞控制

提出了将H_∞控制及平衡降阶法应用于结构主动控制的新方法.该方法首先利用平衡降阶法对结构进行降阶,然后利用降阶模型构造出H_∞控制器和H_∞观测器对结构进行控制;同时结合复模态理论和虚拟激励法,给出了系统分析的有效途径.本文最后以海洋平台地震响应的ATMD主动控制为例,验证了本文方法的有效性.     

基于双驱动智能悬臂梁的自校正PID振动控制研究

随着科技不断进步,智能结构的振动控制在航天航空、机械制造、车辆与船舶等领域得到了广泛应用。由于多输入多输出存在多样性和复杂性,严重威胁系统稳定性。为了解决这一问题,针对两输入单输出的双驱动智能悬臂梁系统提出一种自适应控制策略,首先基于压电线性本构方程,应用假设模态方法建立双驱动智能悬臂梁的力学模型,得到了基于闭环控制系统的状态方程,同时利用递推最小二乘法在线辨识系统参数设计比例积分微分(proportional–integral–derivative, PID)控制器实现自校正PID控制。通过数值仿真对比在有无PID控制下两输入单输出双驱动智能悬臂梁系统的振动情况,分析自校正PID控制的控制效果。通过实验验证自校正PID控制对双输入单输出的双驱动智能悬臂梁系统的控制效果;再设置两组不同的单输入单输出自校正PID控制实验作对比。结果表明:自校正PID控制方法可以较为有效地抑制智能悬臂梁的自由振动,相比单输入单输出的两组,两输入单输出自校正PID控制的效果更为明显和有效。     

基于LMI的框架结构分数阶控制方法研究

以框架结构为研究对象，采用分数阶状态方程进行控制器设计，提出了基于LMI的分数阶控制器设计方法。首先，把原系统振动方程改为阶次为1～2的分数阶状态方程，同时，构造同阶次分数阶控制器状态方程，进而组装为一个整体状态方程；其次，根据分数阶系统稳定性条件确定满足系统渐进稳定性的不等式。为了获得可行解，在不等式中附加了两个参数，同时，令控制器参数矩阵为对称；再次，从仿真结果来看，控制效果过好，但控制力偏大，为此，控制力计算时附加了调节因子，以期在满足控制效果的基础上，降低所需控制力；最后给出了一个算例说明本文方法的可行性。     

特征值摄动法估计区间系统的最小H∞范数

系统的H∞范数表征其对外界干扰的抑制能力. 根据控制系统最小H∞范数与Hamilton微分系统两点边值问题一阶特征值之间的对应关系，利用微分方程特征值的摄动法估计由区间参数描述的不确定性系统的最小H∞范数.     

建筑结构振动系统的多重叠分散静态输出反馈H_∞控制方法

采用分散控制方案能有效解决大尺度土木结构在地震作用下的结构振动控制问题。本文将静态输出反馈、重叠分散控制方法、线性矩阵不等式方法和H∞范数控制算法相结合,提出了多重叠分散静态输出反馈H∞控制方法。通过对状态矩阵添加一个微小的扰动,解决了在求解相应的线性矩阵不等式(LMI)时所遇到的计算困难问题。文中对20层Benchmark建筑结构模型进行数值模拟与计算。结果表明,部分输出反馈控制、重叠静态输出反馈控制和多重叠静态输出反馈控制均获得了与全状态集中控制相近的控制效果,减少了计算成本和控制器设计的复杂性。     

结构整数阶模型的分数阶控制方法研究

为了把分数阶控制方法引入到控制策略中,假设原整数阶模型为分数阶模型,将其表示为状态方程形式;通过系统输出相同的方式建立分数阶和整数阶系统之间的联系;为保证分数阶系统控制器能够用于整数阶系统,采用了基于系统输出的控制策略。算例结果表明:在相同控制能耗条件下,与整数阶控制策略相比,采用本文方法能使位移降低30%。     

抑制压电圆柱壳水下振动的鲁棒时滞控制器设计

压电圆柱壳水下振动环境复杂,为了消除测量过程中的高频信号和噪声干扰,在控制器设计之前需要引入高阶低通数字滤波器,该滤波器在通带范围内的相频特性会给系统引入输入时滞。本文将输入时滞描述为乘性不确定性模型,设计出鲁棒时滞控制器,有效抑制压电智能壳体结构的水下振动。频域仿真结果显示,与未控制前相比,传感器测试到的响应降低了20dB。与未考虑时滞影响的鲁棒控制效果对比,鲁棒时滞控制器控制效果更优。     

基于二次型性能泛函内平衡变换的模型降阶研究

土木工程结构振动控制由于模型的自由度数目较大,结构控制中控制器阶次较高,导致主动控制和半主动控制实施过程中时滞效应十分突出.本文在采用均衡实现技术对结构模型的状态变量重新排序形成内部均衡系统的基础上,对系统二次型性能指标泛函进行内平衡变换,略去对内平衡系统能量影响较小的状态变量,进行结构模型的降阶.通过对20层钢框架结构振动控制Benchmark模型二班型性能指标泛函进行内平衡变换,得到降阶的振动控制模型,计算表明本文方法是可行和有效的.     

高层建筑结构的离散时间重叠分散H_∞控制方法

采用分散控制策略可有效解决多自由度的建筑结构振动控制问题。本文对地震作用下的高层建筑结构的振动控制方法进行研究,将重叠分散控制策略、离散时间H∞控制算法、线性矩阵不等式(LMI)方法和静态输出反馈控制方法相结合,提出了离散时间重叠分散H∞控制方法。基于包含原理和分解原理,将整个建筑结构控制系统划分为一系列子系统,对各个子系统采用离散时间重叠分散H∞控制方法进行控制。采用驱动器饱和控制策略,对20层抗震钢结构Benchmark模型进行数值模拟与计算。结果表明:全状态集中控制(理想驱动控制)、全状态集中控制(驱动器饱和控制策略)、部分输出反馈控制(驱动器饱和控制策略)、重叠静态输出反馈控制(驱动器饱和控制策略)、多重叠静态输出反馈控制(驱动器饱和控制策略)的平均控制率分别达到了63.4%、53.4%、50.7%、48.2%、32.6%,采用这些控制方法都获得了较好的控制效果;重叠分散控制策略降低了计算成本并且增加了控制器设计的灵活性。     

H_∞控制器在变参数有源磁悬浮系统中的应用

建立了液浮陀螺仪浮子有源磁悬浮控制模型,深入地分析了其结构组成及工作原理。针对所建立的数学模型对各个结构参数进行了鲁棒性分析研究,得出了系统鲁棒稳定性对各个参数的要求。在此基础上,建立了系统工作的状态方程,对变参数的阻尼系统进行了分析研究,设计了满足系统动态性能和鲁棒稳定性要求的H∞控制器。最后分别对初始系统和校正系统进行了仿真研究,仿真结果表明,H∞控制器提高了阻尼在一定范围内变化的磁悬浮系统的鲁棒控制性能,增强了系统的抗干扰能力和动态特性。     

压电智能环形板的主动控制

对在不同位置粘有任意多组压电传感器和压电执行器的轴对称弹性环形薄板的振动控制进行了研究．根据压电执行元件的等效作用量得到了压电智能环板的振动控制方程和传感方程,再利用分离变量法以及由传感器测得的电量和作用在执行器上电压之间的控制模式得到振动方程的全解．实行了对整体结构的主动控制．对不同的压电片布置进行了数值计算．结果表明：当离散分布压电元件布置越密,振动衰减的效果越佳     

基于气动力辨识的ASE模型降阶研究

CFD/CSD耦合计算能够准确预测跨音速段飞行器弹性振动的非定常气动力, 但其带来的巨大 计算量及高阶维数不利于气动弹性系统的分析与综合. 针对于此,采用系统辨识及 均衡截断技术对高阶气动伺服弹性模型进行降阶处理,并利用所得到的低阶模型进行系统综 合：(1) 基于Volterra级数气动力辨识技术,得到非定常气动力的时域降阶模型(ROM), 耦合结构动力学模型及控制机构动力学模型获得气动伺服弹性(ASE)状态空间方 程;(2) 利用均衡截段法对时域ASE模型进行进一步降阶,得到能够较真实反映所关心频域内系统响应 的低阶ASE模型;(3) 针对建模误差和降阶误差存在造成的系统不确定性问题,结合降阶模型 采用混合灵敏度$H_{\infty}$控制方法设计颤振主动抑制鲁棒控制律,保证其作用 于真实系统的有效性;对控制器进行 均衡阶段降阶并保持其鲁棒性,得到低阶鲁棒的颤振抑制控制器. 最后利用典型的BACT模型 进行气动伺服弹性的降阶及主动颤振抑制控制,仿真结果表明,基于ROM建立的低阶气动弹 性模型能够较真实地反应系统的颤振特性;而基于截断后的降阶模型所设计的低阶鲁棒控制 器能够有效应用于存在不确定性摄动的实际系统,并将系统颤振速度提高36%.     

主动控制压电旋转悬臂梁的参数振动稳定性分析

在工程实际中旋转机械由于制造和加工误差,装配的不均匀性等原因,往往会脉动运行,这将使得机械系统发生参数振动. 当脉动参数满足一定关系时,这种参数振动将会失稳,进而影响机械结构的正常运转. 本文针对这一问题,引入压电材料对 脉动旋转悬臂梁系统的振动进行控制,研究主动控制悬臂梁系统的参数振动优化设计问题,采用 Hamilton 变分原理与一阶 Galerkin 离散相结合的方法,建立了受速度反馈传感器主动控制的压电旋转悬臂梁的一阶近似线性控制方程. 运用多尺度方法,得到了压电旋转悬臂梁系统在发生1/2亚谐波参数共振时稳定性边界的控制方程,并利用直接分析方法验证了解析摄动解的正确性. 将摄动解中临界阻尼比和轮毂角速度脉动幅值的无量纲参数作为评价系统稳定性能的指标. 通过数值算例,分析了轮毂半径、轮毂角速度平均值和脉动幅值、梁长以及速度传感器的反馈增益系数对系统稳定性区域的影响. 研究结果表明,梁长、轮毂半径、脉动幅值会降低系统稳定性,反馈增益系数可以提高系统稳定性,而轮毂角速度平均值与系统稳定性之间有非单调的关系. 为进一步设计压电旋转机械结构提供了理论依据.      

压电复合材料层合梁的分岔、混沌动力学与控制

研究了简支压电复合材料层合梁在轴向、横向载荷共同作用下的非线性动力学、分岔和混沌动力学响应. 基于vonKarman理论和Reddy高阶剪切变形理论,推导出了压电复合层合梁的动力学方程. 利用Galerkin法离散偏微分方程,得到两个自由度非线性控制方程,并且利用多尺度法得到了平均方程. 基于平均方程,研究了压电层合梁系统的动态分岔,分析了系统各种参数对倍周期分岔的影响及变化规律. 结果表明,压电复合材料层合梁周期运动的稳定性和混沌运动对外激励的变化非常敏感,通过控制压电激励,可以控制压电复合材料层合梁的振动,保持系统的稳定性,即控制系统产生倍周期分岔解,从而阻止系统通过倍周期分岔进入混沌运动,并给出了控制分岔图.      

均衡实现降阶系统LQ控制器设计改进研究

土木工程结构振动控制由于模型的自由度数目很大,控制器阶次非常高,从而导致主动控制和半主动控制实施过程中时滞效应十分的突出。本文在采用均衡实现技术对结构模型进行降阶的基础上,进行LQ控制器的设计,考虑了对应较小奇异值的状态变量对低阶控制器的影响,对LQ控制器的设计进行改进,优化了控制效果。本文通过对Highway Bridge的Benchmark模型进行LQ控制器设计的改进研究,验证了本文方法的改进效果。     

结构动力计算中确定体系振动自由度的方法

针对用换铰法确定体系振动自由度时所遇到的问题,提出了换铰时对弹簧支座、抗弯刚度为∞的杆件以及定向支座的处理方法.应用此方法,具有任何支座和杆件的结构都可以用换铰法正确地确定其振动自由度数目.     

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。