智能板模态传感与控制的数值分析

智能结构技术对空间大型柔性结构 振动控制问题具有重要意义,采用独立模态空间控制技术对压电智能板进行主动振动控制是一种常用方法,以前对这一问题的研究仅限于解析的方法,本文采用有限单元法,设计了新的压电模态传感器与致动器,该方法能够适用于形状及边界条件较为复杂的智能板,算例分析证明了该方法的正确性。     

Nonlinear dynamic analysis of space cable net structures with one to one internal resonances

The nonlinear dynamic analysis of cable net structures becomes more and more significant for their space applications required high surface accuracy, especially mesh reflector antennas. In this work, the resonant multi-modal dynamics due to 1:1 internal resonances in the finite-amplitude vibrations of cable net structures subjected to harmonic loads are investigated. The nonlinear dynamic equation of space cable net structures is first developed using the extended Hamilton principle, which belongs to the self-excited vibration with quadratic and cubic nonlinearities. Linear modal analysis is then performed to decouple the nonlinear differential equations, and yields a complete set of system quadratic/cubic coefficients. With the aim of parametrically revealing nonlinear behaviors of space cable net structures, the second-order asymptotic analysis under 1:1 internal resonance is accomplished by the method of multiple scales. The nonlinear phenomena of a planar cable net and cable net reflector, such as the bending of response curve, jump phenomena, instability regions, saddle-node bifurcation, are verified by means of numerical analysis.     

A SIMPLIFIED CALCULATING METHOD OF NONLINEAR FREQUENCY OF CABLE NET UNDER MEAN WIND LOAD

The cable net supported glass curtain wallas the most advanced technique in dot point supported glass curtain wall, is widely used in China. Because of its large deflection and high nonlinearity under wind load, the dynamic performance of the cable net is greatly different from that of the conventional linear structures. The continuous membrane theory is used to construct the nonlinear vibration differential equation of the cable net, and the harmonic balance method is used to solve the analytic formula of the nonlinear frequency. In order to verify the accuracy of the above analytic formula, the results of the formula and the nonlinear FEM time-history method are compared and found to be in good agreement. Furthermore, the nonlinear vibration differential equation and the nonlinear frequency obtained in this paper are the basis for the wind-induced response analysis of a cable net under fluctuating wind load.     

Wave based active vibration control of a membrane antenna structure

This paper studies the wave based active vibration control of a membrane antenna structure. The membrane antenna structure studied in this paper has a great prospect in aerospace engineering. First, the dynamic model of the membrane antenna structure is established based on the finite element method. Then, based on the hypothesis of modal excitation mechanism, a wave-based controller is designed using the wave attenuation method. This method does not depend on the wave transfer function of the structure, so it can be applied to structures with complex shapes and boundaries. At last, the validity of the presented controller is verified through numerical simulations. Simulation results indicate that the dynamic behavior of the membrane antenna structure shows obvious wave characteristics; the presented controller can suppress the vibration of the structure effectively through holding back the formation of standing waves, and better control effect can be obtained when the actuators are placed near to the excitation point.     

空间结构耦合模态控制及实验研究

智能结构以主动元件为传感器和驱动器,根据结构的动态响应和控制要求,自适应地改变结构的动态性能,实现结构特性的自调节功能,以增强结构适应于外界环境变化的能力.结构振动主动控制方法中常用的模态空间控制方法,就是将系统方程转化到模态坐标下,从而得到内部解耦的以模态坐标表示的方程组,然后根据一定的控制方法,计算出模态控制力,实现实时控制.该方法计算简单,效率高,能满足实时控制的需要.本文根据一个三层智能结构主动控制实验,介绍了耦合模态控制理论及实现方法,设计并阐述了压电主元杆件的工作原理,根据Riccati方程得到了主元杆件的最优布置.通过对实验数据运用五点滑动平均平滑法进行处理分析及频谱分析可以看到,智能结构通过主动控制,对相应的控制模态位移及加速度有很大的抑制作用,对应的模态阻尼系数得到了不同程度的提高.     

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。     

分布振子复合板的模态阻尼及多点激励下阻尼减振相关性

分布阻尼振子可拓宽结构减振频带,因此可将振子分布于板中以形成复合板（简称“分布振子复合板”）,进而实现较宽的减振频带．对于多点支撑处受到宽频非一致激励（例如在不同激励点处的激励频率、幅值与相位有差异）的分布振子复合板,目前还缺乏有效简便的优化控制指标．在作者之前的研究中,针对含分布振子的梁推导了基于模态应变能的模态阻尼计算理论,讨论了模态阻尼与单点激励下梁的减振效果的相关性,并应用于宽频减振设计优化．本文进一步将模态阻尼计算理论推广到分布振子复合板,并将研究从梁的单点激励扩展到板的多点非一致激励下的阻尼减振相关性．首先,在利用模态应变能法推导得到分布振子复合板的模态阻尼计算公式后,从理论上讨论了不同边界条件与模态阶次对计算结果的影响,以及计算理论的适用性．而后,进一步通过有限元参数分析了边界条件、频率比、模态阶次与质量比的影响．最后,通过算例分析了无振子板或分布振子复合板在四个激励点具有多种幅值与相位组合情况下的稳态响应．结果表明,推导的模态阻尼计算公式可正确预测不同边界条件下的模态阻尼,且理论预测的模态阻尼与基板的稳态平均加速度减小率、稳态峰值应变能减小率均有较高的相关性．     

结构基于独立模态空间控制的神经网络控制

在对柔性结构振动的主动控制中，独立模态空间控制是一种适合于柔性结构振动控制的方法，但如果控制器选择不好就会带来观测溢出和控制溢出．神经网络控制则具有较好的泛化作用和鲁棒性，对抑制观测溢出和控制溢出具有较好的效果．本在独立模态空间控制的基础上设计了一种神经网络控制，并对柔性梁及板进行了控制的数值仿真，取得了较好的效果．     

高速电梯系统时变动力学模型与分析

以往关于电梯系统的研究指出，引起电梯系统振动的主要原因在于外部激励－由曳引机，承重装置，拖动和控制系统等引起。这是基于经典的结构共振理论得出的结论，但不能解释某些电梯的振动行为。本文从时变结构力学的观点出发，计及电梯曳引钢丝绳的长度随时间变化，建立起电梯系统的变刚度动力学模型，采用解析方法给出了高速电梯弹性振动的位移和加速度响应表达式。从理论上证明作为时变系统的电梯，具有振荡运动的特征，存在由变刚度引起的自激振动。进一步研究表明，电梯提速意味着曳引钢丝绳的初始扰动增大，导致电梯振动的加速度也增大，对电梯的舒适性有负面影响。     

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     

基于复模态的控制力矩陀螺配置优化

由于陀螺耦合效应,系统动力学方程的特征值和特征向量皆为复数形式,不便于进行控制力矩陀螺的配置优化和控制律设计。本文基于复模态理论,构造出一种实数域上的伪模态矩阵,从而实现方程解耦。综合考虑结构模态、控制输入能量和传感器接收能量的复合优化准则,获得了控制力矩陀螺的最优配置。结果表明,采用线性二次型最优控制,能够快速将结构的响应振幅降至5%以内,验证了使用伪模态矩阵进行方程解耦的可行性及控制的有效性。     

轴向运动弦线的纵向振动及其控制

综述轴向运动弦线纵向振动及其控制问题的研究进展.多种工程 系统如动力传送带、磁带、纸带、纺织纤维、带锯、空中缆车索道等均 涉及轴向运动弦线的纵向振动.对线性模型而言,除早期结果外,总结了 运动弦线的模态分析、具有复杂约束和耦合的运动弦线振动和运动弦线 参数振动的近期研究.对非线性模型而言,提出了轴向运动弦线大幅纵向 振动的运动微分方程,概述了离散化和直接近似解析分析、用黏弹性材 料模型化阻尼机制和动力传输系统的耦合振动研究的新进展.讨论了轴 向运动弦线振动主动控制的研究现状,包括能控性和能观性,控制分析的 频域方法和能量方法,振动的自适应控制和非线性振动的控制.最后指出 该研究方向今后需要研究的若干重要问题,包括运动弦线的非线性动力学 行为、黏弹性运动弦线的振动、含运动弦线的混杂系统的控制和轴向运 动弦线非线性振动的控制.     

Active control of flexible beams subjected to multi-disturbance using one controller

The active control of vibration for a beam subjected to multi-disturbances is investigated based on wave propagating suppression. In this control system, there are the same numbers of the sensors, the signal inputting to the controller and the disturbances, but there is only one controller. It is a local control system, the system parameters depend only on the characteristics of the structure bounded by the sensors and the controller, and we need not take into account the boundary conditions and the properties of structures outside of this field. The system is efficient when a structure vibrates in middle and high frequency regions. Some control design rules are developed from the calculation results. The project supported by the National Natural Science Foundation of China and Post Doctorate Science Fund of China     

谐波激励下斜拉桥面内非线性振动试验研究

斜拉桥拉索的振动问题一直是桥梁工程领域的研究热点。为揭示拉索大幅振动的力学机理，课题组建立了斜拉桥的全桥精细化模型，本文测试和研究了单频激励下的斜拉桥可能的非线性振动行为。首先，通过自由振动试验测试了模型的模态参数，并与两类有限元模型（OECS模型和MECS模型）进行对比，结果吻合良好。其次，试验研究了在单个竖向简谐激励下斜拉桥模型的非线性响应。研究发现：当激励频率与斜拉桥某阶全局模态频率接近时，主梁产生主共振，并引起多根长索产生大幅的参强振动；当激励频率与某根斜拉索面内一阶频率之比为1：2或者2：1时，可以观测到索中产生超谐波和亚谐波共振现象。     

存在时滞的柔性梁的振动主动控制

本文对控制存在时滞的柔性梁的振动主动控制进行研究,主动控制策略采用独立模态空间控制,模态控制律采用离散变结构控制进行设计,给出了从实际测量中提取模态坐标和将模态控制力转换成实际控制力的方法,以及离散切换面和离散变结构模态控制律的确定方法,由于模态控制律直接通过时滞微分方程而得出,因此所给控制方法易于保证控制系统的稳定性。算例结果显示,文中所述控制方法能够有效地对梁的振动进行控制;若按无时滞时的控制设计对时滞系统进行控制,系统响应有可能出现发散。     

多自由度柔性结构非线性随机振动响应分析方法

随机等效线性化方法是多自由度结构非线性随机振动分析的有效方法,然而柔性结构隐式的系统方程限制了该方法的应用.本文首先提出了把多自由度柔性结构隐式系统方程显式化的等效非线性系统建立方法,该方法结合模态分析,将系统几何非线性作用等效为模态坐标的高次多项式组合,把多自由度物理系统转化为容易求解的模态系统;在此基础上运用随机等效线性化技术建立柔性结构非线性随机振动响应分析方法.该方法通过引入虚拟激励原理,大幅提高了计算效率,使对多自由柔性结构的非线性随机振动响应分析成为可能.通过算例分析,本文分析结果和精确解与数值模拟解的比较结果表明,本文方法具有较好的计算精度和较高的计算效率,能够应用于实际柔性工程结构的随机振动响应分析.     

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     

Analytical prediction and experimental validation for longitudinal control of cable oscillations

The paper summarizes the knowledge acquired from the analytical studies and the experimental implementation of a longitudinal non-collocated control strategy for the reduction of cable oscillations. The control is introduced by imposing a longitudinal action at one support based on the knowledge of transverse displacements and velocities of a few selected points. A spatially one-dimensional continuous model of a suspended cable has been used to describe the main features of the non-collocated longitudinal active control strategy. A discrete modal representation has permitted the introduction of suitable non-linear state-feedback controllers. The results have been used to derive an implementable strategy, based on direct output feedback, which preserves the main previous control features. A physical model of an actively controlled cable has been used to demonstrate the control effectiveness of the proposed strategy through a large campaign of experiments, conducted in various frequency ranges and amplitude levels including meaningful external resonance conditions. The responses predicted by the analytical model and the experimental results show good qualitative agreement with one another, in both the uncontrolled and controlled experienced cable dynamics.     

FREE VIBRATION OF TAUT CABLE WITH DAMPER AND PARALLEL SPRING

分析了拉索-并联弹簧-阻尼器系统的自由振动特性,由系统的运动方程及边界条件 得到其复特征值方程。进一步研究了系统的极限解,由此讨论了拉索-并联弹簧-阻尼器系统的模态变化分区现象。以拉索-并联弹簧-阻尼器系统的二阶模态解为例,给出了模态频率和阻尼比的变化分布区间及其对应振型的变化情况。讨论了系统分区中存在的模态交叉现象;同时也讨论了斜拉索垂度对于一阶振动模态变化规律的影响。研究表明拉索-并联弹簧-阻尼器系统的振动模态演化因并联弹簧-阻尼器的位置不同而存在的明确的分区现象;安装并联弹簧和阻尼器后拉索的模态阻尼比和模态频率均可明显提高。     

振动主动控制当前的主要研究课题

近１０年来对振动主动控制的研究集中在挠性航天结构主动控制减振、巨型土木工程结构主动控制减振和车辆半主动控制隔扼等几个重要领域,本文简略回顾了这些领域主动控制减振的发展过程,着重介绍了近期的研究情况和当前的主要研究课题．