基于LQG最优控制法的压电智能结构独立模态空间控制

采用压电材料作为传感器和驱动器对智能结构振动主动控制进行研究,基于机电耦合的压电智能结构传感和驱动方程,将振动控制动力学方程变换到模态空间对方程进行解耦。通过计算结构最大应变,确定压电元件的最佳粘贴位置。考虑到系统过程噪声和量测噪声的影响,设计Kalman滤波器,采用基于线性二次型高斯(LQG)最优控制的独立模态空间控制方法对压电智能结构的振动进行控制。最后以压电智能悬臂梁为例进行控制仿真,验证了此方法的有效性。     

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.      

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.     

智能风力机叶片振动主动控制研究综述

风力机叶片是一个细长柔性体,承受多种交变力的作用,其可靠性受到越来越多的关注,现有风力机叶片的被动式控制很难适应风力机叶片大型化发展的要求,针对智能结构的风力机叶片主动控制的研究越来越受到重视。本文对智能风力机叶片的振动主动控制问题进行了综述,包括结构设计、不同智能材料选用及各类控制算法(如直接速度控制、状态空间控制、神经网络控制、前馈控制、自适应控制等不同的控制策略)的运用等。现有的研究存在不同程度的不足:1叶片智能结构设计不足;2智能风力机叶片的理论建模不足;3针对风力机叶片的振动主动控制技术有待完善。今后应加强以上方面的研究力度。     

点式压电智能结构的模型修正与振动主动控制

提出了在点式压电智能结构中应用摄动有限元方法对结构的有限元模型进行修正 ,从而达到提高建模精度 ,改善实际结构振动主动控制效果的目的。通过对一悬臂梁在模型修正前后进行振动主动控制的不同的控制效果验证了该方法的有效性     

基于碰撞升频的MEMS压电振动能量采集系统

本文提出了一种基于碰撞升频机制的微型压电能量采集系统，由一对共振频率不同的悬臂梁平行叠放组成。在外界低频振动激励下，底部低频S形金属曲梁产生共振，在运动过程中碰撞顶部高频微型压电直梁，从而将低频环境振动转换为高频压电梁的振动，解决了压电直梁的固有频率与外界激励频率不匹配问题，同时提高能量收集的效率。本文建立了悬臂梁受迫振动和碰撞耦合振动的动力学模型，讨论了压电悬臂梁的电压输出特性。通过实验测试了压电能量收集系统和单个压电悬臂梁的开路电压并计算了输出功率，结果表明当振动加速度为1.0 g时，升频式压电能量采集系统在25 Hz的激振下输出功率达到8.6 μW，高于单个压电悬臂梁的最大输出功率。     

附磁压电悬臂梁流致振动俘能特性分析

流致振动蕴含巨大的能量, 本文基于流致振动理论,设计了一种附加磁力激励的压电悬臂梁流致振动俘能器,并通过理论和实验研究其振动俘能特性.该俘能器由压电悬臂梁、圆柱绕流体和磁铁组成;首先基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了流致振动附磁压电俘能器的能量函数,利用Hamilton原理建立了流致振动附磁压电俘能器的机电耦合方程;利用数值方法研究详细分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等系统参数对压电俘能器振动特性和输出电压的影响.分析结果表明, 该型压电俘能器的振动幅值在低流速条件下产生涡激振动,并产生最大的输出电压;磁力可以降低压电俘能器的共振频率并能够拓宽压电俘能器频带带宽,因此,附磁压电俘能器具有相比没有附磁的压电俘能器更适用于低速层流环境;实验结果与数值结果吻合较好,验证了附磁压电悬臂梁流致振动俘能器的理论分析的正确性.      

附磁压电悬臂梁流致振动俘能特性分析

流致振动蕴含巨大的能量,本文基于流致振动理论,设计了一种附加磁力激励的压电悬臂梁流致振动俘能器,并通过理论和实验研究其振动俘能特性.该俘能器由压电悬臂梁、圆柱绕流体和磁铁组成;首先基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了流致振动附磁压电俘能器的能量函数,利用Hamilton原理建立了流致振动附磁压电俘能器的机电耦合方程;利用数值方法研究详细分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等系统参数对压电俘能器振动特性和输出电压的影响.分析结果表明,该型压电俘能器的振动幅值在低流速条件下产生涡激振动,并产生最大的输出电压;磁力可以降低压电俘能器的共振频率并能够拓宽压电俘能器频带带宽,因此,附磁压电俘能器具有相比没有附磁的压电俘能器更适用于低速层流环境;实验结果与数值结果吻合较好,验证了附磁压电悬臂梁流致振动俘能器的理论分析的正确性.     

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。     

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。     

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。     

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     

基于反激变压器的压电振动能量双向操控技术

压电材料因其具有良好的机电耦合特性, 在振动能量俘获和结构振动控制领域有着良好的应用前景. 基于同步开关和电感的压电元件接口控制电路, 可以通过振荡电路工作原理调节压电元件的电压幅值和相位, 优化压电振动系统的机电能量转化. 优化型同步电荷提取技术即基于上述接口控制电路实现了压电振动能到电能的高效转换. 本文提出了一种衍生于优化型同步电荷提取电路的压电阻尼半主动控制电路, 借鉴反激变压器的原、副边能量转换特性, 实现了压电振动控制系统从电能到机械能的能量操控, 进而达到结构振动抑制的效果. 至此, 结合了压电电荷能提取与压电阻尼半主动控制技术的新电路, 以反激变压器为核心实现了压电振动能量的双向操纵. 论文首先介绍了相应的控制电路及工作原理, 推导了新型同步开关阻尼技术下的结构的振动阻尼比模型, 搭建了压电悬臂梁振动控制实验平台, 最终通过实验验证了理论模型, 并使用更简单的控制方法解决了振动控制系统的稳定性问题.      

压电复合材料梁和板的变形控制问题

由于具有良好的结构、力学性能,复合材料层合板在现代飞行器上大量应用;而压电复合材料,作为一种新兴的智能材料,由于其独特的力电耦合性能得到了人们更多的关注。本文研究含有压电片的复合材料梁和板在电场作用下的变形控制问题。基于经典的梁理论和层合板理论,分别研究了下列问题:(1)双压电片布置的悬臂梁的变形;(2)含有压电层的层合板变形控制问题;(3)含有一对压电片的层合板的变形控制问题。针对上述问题,分别给出了理论解和数值解,并进行了相关讨论分析。结果表明压电材料可对结构进行精确控制,因此本文的结果可对复合材料梁和板在电场作用下的变形控制问题提供工程参考。     

附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器的理论建模及分析

论文建立了一种附磁阶梯变厚度压电悬臂梁的动力学模型并分析了系统的俘能特性。基于Euler-Bernoulli梁理论分段建立系统能量函数并引入非线性磁势能，利用Lagrange方程建立了系统机电耦合动力学方程；利用数值方法分析了磁间距对系统振动特性的影响，此外还研究了系统单稳态和双稳态响应，探讨了厚度比、长度比、磁间距和外激励幅值对系统动力学响应和俘能特性的影响。结果表明，磁间距是影响系统势能的主要因素，调节磁间距可使系统产生单稳态和双稳态响应，从而有效提高俘能器俘能特性；与传统等截面悬臂梁压电俘能器相比，通过优化结构参数，附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器能够发生明显的非线性振动现象，实现宽频带振动能量采集。     

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。     

用两种功能材料综合控制智能梁的振动

给出了用两种材料对梁进行振动控制的综合控制方法。采用多层分布压电层进行精密主动控制时,将压电传感层和压电致动层分割成若干单元来设计压电模态传感器和压电模态致动器,进而实现了梁的模态控制,同时利用形状记忆合金的超弹性特性对梁进行被动控制来抑制梁的大振幅振动,取得了很好的控制效果。     

基于层叠式平面DE作动器的柔性薄壁结构振动控制研究

为了降低单层平面DE作动器的控制电压,提出了一种层叠式平面DE作动器,并开展了基于层叠式平面DE作动器的柔性薄壁结构振动主动控制研究。结合介电弹性体(DE)材料的力电耦合模型,基于哈密顿变分原理,建立了含层叠式平面DE作动器的柔性悬臂梁系统振动控制微分方程。基于比例反馈控制策略,利用不同层数的层叠式平面DE作动器对悬臂梁系统进行了振动主动控制的仿真研究。结果表明,层叠式平面DE作动器对柔性薄壁结构具有良好的振动控制效果,同时相比于单层平面DE作动器,控制所需电压可以降低30%以上,从而为DE作动器的低电压驱动应用提供了一条可行的技术途径。     

自感知主被动阻尼悬臂梁动态特性分析

由Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理导出了压电层作约束层作约束层的自感知主被动阻尼控制结构的振动控制方程;由自感知电压引入速度负反馈闭环控制,并由假设模态法将位移按模态展开,求解了悬臂梁结构的动态特征;对被动控制、自感知主动控制、自感知主被动控制的控制效果进行了分析比较;分析了粘弹层厚度变化、材料参数变化以及压电层厚度、位置等结构参数变化对控制效果及模态频率的影响;并对自感知主被动阻尼控制结构的特点和设计中应注     

飞机某复合材料弯管的振动主动控制

针对某飞机上典型的复合材料弯管结构的振动 ,采用压电元件作为传感器和作动器 ,通过有限元分析其振动模态以确定压电元件的施加位置 ,进一步利用自适应前馈控制策略 ,对其振动进行了主动控制 ,最终取得了有效的减振效果