考虑间隙反馈控制时滞的磁浮车辆稳定性研究

常导磁吸型(EMS)磁悬浮列车在悬浮控制中的每个环节,时滞是不可避免的,当时滞超过一定程度后,系统有可能失稳.本文针对EMS磁浮列车控制环节的临界时滞与车辆参数(如运行速度、反馈控制增益、导轨参数和悬挂参数)的关系开展研究.建立了磁浮车辆/导轨耦合动力学模型,车辆包含1节车辆和4个磁浮架,考虑车辆的10个自由度,每个磁浮架上包含4个悬浮电磁铁.导轨模拟为一系列简支Bernoulli-Euler梁,采用模态叠加法对导轨振动方程进行求解.采用传统线性电磁力模型实现车辆和轨道的耦合.采用比例-微分控制算法对电磁铁电流进行反馈控制,实现车辆稳定悬浮,并假设时滞均发生在控制环节,且只考虑间隙反馈控制环节的时滞.采用四阶龙格库塔法对耦合系统动力学方程进行求解,编写了数值仿真程序,计算得到车辆导轨耦合系统在考虑间隙反馈控制时滞时的响应.将系统运动发散时的时滞大小视为临界时滞,开展了参数规律影响分析.通过分析,给出了提高时滞条件下车辆稳定性的方法,包括增大导轨的弯曲刚度和阻尼比,减小间隙反馈控制增益并增大速度反馈控制增益,以及增大二系悬挂阻尼.     

时滞反馈控制对弹簧摆动力学行为的影响

利用解析和数值方法,以弹簧摆为对象讨论了线性的时滞位移反馈控制对一类平方非线性系统动力学行为的影响。根据多尺度法得到了1:2内共振情况下一次近似解的慢变方程,基于此讨论了反馈控制参数对零解的稳定性和周期解振幅的影响。结果表明:耦合的反馈项在平均方程中并不出现。根据罗斯-霍尔维茨判据发现,没有反馈控制时该系统的零解总是不稳定的,而通过调整反馈增益或反馈时滞就可以很容易地使零解稳定。反馈时滞对周期解振幅的影响呈现周期性,反馈增益或时滞发生变化时,周期解振幅的变化会表现出鞍结分岔现象;同时基于MATLAB软件的数值计算结果验证了该理论分析的正确性。     

非自治时滞反馈控制系统的周期解分岔和混沌

研究时滞反馈控制对具有周期外激励非线性系统复杂性的影响机理, 研究对应的线性平衡态失稳的临界边界, 将时滞非线性控制方程化为泛函微分方程, 给出由Hopf分岔产生的周期解的解析形式. 通过分析周期解的稳定性得到周期解的失稳区域, 使用数值分析观察到时滞在该区域可以导致系统出现倍周期运动、锁相运动、概周期运动和混沌运动以及两条通向混沌的道路: 倍周期分岔和环面破裂. 其结果表明, 时滞在控制系统中可以作为控制和产生系统的复杂运动的控制``开关'.     

亚音速气流作用下薄板结构混沌运动的时滞反馈控制

研究了亚音速气流下非线性二维薄板结构在横向周期载荷作用下的混沌运动及控制问题.基于von Karman板理论和分离变量法,建立了亚音速下薄板结构的运动控制方程.对于未控系统,采用Melnikov方法判断其混沌运动阈值,并用Runge-Kutta法进行数值验证.对处于混沌运动状态的系统,采用时滞反馈控制方法对混沌运动进行控制.结果表明,Melnikov方法可以有效地预测系统的混沌运动行为,时滞反馈控制方法可以有效地将系统的混沌运动转化为周期运动.     

负刚度时滞反馈控制动力吸振器的等峰优化

相比于传统动力吸振器, 负刚度动力吸振器同时具有更好的减振能力和更宽的有效减振频带宽度, 为了进一步降低共振峰幅值, 在负刚度吸振器系统耦合时滞反馈控制. 对负刚度时滞反馈控制动力吸振器系统进行等峰优化设计, 优化设计的准则是:第一和第二共振峰的峰值相等; 同时兼顾两个目标, 一个目标是在优化时的最大共振峰幅值小于被动负刚度吸振器系统的反共振峰幅值, 另一目标是在优化时共振峰幅值与反共振峰幅值差小于被动吸振器系统. 接着, 通过设计和调节负刚度系数、吸振器阻尼系数和时滞反馈控制系数对控制系统进行等峰优化设计. 最后, 在降低幅值的同时, 分析结构参数对有效减振频带宽度的影响. 经过等峰优化之后, 选择本文的一组结构参数与两个典型的模型进行对比. 为了定量比较不同模型的降幅效果, 定义了减幅百分比, 研究发现在有效减振频带区间内减幅百分比超过40%以上. 结果表明, 通过等峰优化准则对结构参数进行优化设计和调节增益系数和时滞量, 共振峰幅值的减幅百分比也近似达到40%, 也可以调节增益系数和时滞量, 使得幅频响应曲线具有较宽的有效减振频带和较低的共振峰幅值与反共振峰幅值的差值.     

轴向时滞反馈控制下悬索非线性响应分析

采用轴向时滞反馈控制策略对悬索进行振动控制.根据Hamilton原理建立悬索的非线性振动控制方程,运用多尺度法得到时滞反馈作用下悬索第一阶正对称模态主共振响应近似解,得出系统响应与控制参数的关系.结果表明,主共振的响应存在多解和跳跃现象,调节控制增益和时滞值,可以避免共振区,有效抑制大幅振动.     

非线性时滞反馈控制系统超谐共振分析

采用增量谐波平衡法求解了非线性时滞微分方程的超谐共振解,研究了时滞、反馈控制增益、激励幅值、非线性项系数等系统参数对系统超谐共振响应的影响,分析了超谐共振响应随系统参数变化的规律。结果表明:三次谐波与一次谐波振幅的比值随时滞量呈周期性变化;反馈控制增益对系统超谐共振的影响与非线性项系数和激励幅值有关;随着非线性项系数和激励幅值的不断增大,三次谐波项与一次谐波项振幅的比值都是先增大后减小,而且减小的趋势逐渐减弱;一次谐波成份在振幅中占主导地位。     

时滞反馈控制在自参数动力吸振器中的作用

采用时滞状态反馈来控制自参数动力吸振器减振系统中主系统的振动.系统在简谐激励作用下,采用多尺度方法得到了主共振和1:2内共振同时发生时系统运动方程的解析解.主要分析了反馈增益系数和时滞对自参数振动系统减振的作用.结果表明,对某一反馈增益系数,存在时滞的某段减振区间,当时滞在该区间调节时,可以减小自参数振动系统中主系统的振动.并且在时滞的减振区间里,存在一个\"最大减振点\",可以在该反馈增益系数下最大程度的减小主系统的振动.分析还表明,当反馈增益系数和时滞调节到最优值时,主系统的振动最多可以比自参数动力吸振器减振系统减小90%左右.     

时滞动力系统的稳定性与分岔:从理论走向应用

本文综述了近年来时滞动力系统稳定性与分岔方面的研究进展, 重点阐述了作者及其团队在稳定性分析、Hopf分岔计算、利用时滞改善系统稳定性等方面的一些理论和方法研究结果, 介绍了时滞对颤振主动控制系统、不稳定系统镇定、网络系统的影响等方面的研究. 基于研究体会, 对进一步的研究提出了若干展望.     

具有采样反馈的力控制系统稳定性

基于计算机的数字采样控制对离散信号进行运算并向作动器提供控制输入,是当前的主流控制技术.数字采样控制系统是这样一类控制系统,其控制对象由微分方程(组)描述,而控制律由离散采样信号给出.以采样PD(proportional-derivative)反馈作用下的单自由度力控制系统为例,基于离散系统的稳定性分析方法,研究采样控制律对控制系统稳定性的影响.为了突出采样反馈的作用,将系统取为无刚度、无阻尼的最简单形式.不同于已有研究假设位移采样信号与速度采样信号相互同步,本文研究当位移采样信号与速度采样信号不同步时受控系统的稳定性,发现位移采样信号与速度采样信号的采样周期不同组合对受控系统在增益平面上的稳定性区域有重要影响.结果表明,对所关心的三种数字采样反馈控制律,当位移采样信号滞后于速度采样信号一个采样周期时,受控系统具有最大的稳定性区域且对相同的增益值可以有最好的稳定效果.论文对这种现象进行分析,给出了一种力学解释.     

Experimental study of delayed positive feedback control for a flexible beam

Recently, some researches indicate that positive feedback can benefit the control if appropriate time delay is intentionally introduced into control system. However, most work is theoretical one but few are experimental. This paper presents theoretical and experimental studies of delayed positive feedback control technique using a flexible beam as research object. The positive feedback weighting coefficient is designed by using the optimal control method. The available time delay is determined by analyzing the maximal real part of characteristic roots of the system. A DSP-based experiment system is introduced. Simulation and experimental results indicate that the delayed positive feedback control may effectively reduce the beam vibration if time delay is appropriately selected.     

碰摩转子映射系统的延迟反馈混沌控制

将转子的碰摩映射在擦边轨道附近进行局部化,并通过实验数据去拟合局部映射,然后采用变量延迟反馈控制法对该系统进行控制.通过选取合适的控制增益,将转子系统的碰摩运动镇定到周期1转道上,从而实现对碰摩转子系统混沌运动的控制.     

Self sustained oscillations and collective behaviours in a lattice of jets

Strongly interacting aligned multiple jets are produced behind a perforated plate placed in a uniform flow. The performation patterns investigated experimentally are a square and a triangular lattice of holes with diametersd ranging from 1 mm to 10 mm and of mesh sizeM ranging from 2.54 mm to 25.4 mm. At moderate Reynolds numbers (Re=ud/<3000), each laminar jet develops instabilities causing its effective diameter to increase, thus leading the parallel jets to merge at a distanceL from the plate. The merging distanceL is shown to exhibit a low frequency self sustained oscillation around its mean value with a lateral correlation length much larger than the mesh size. Both the merging distanceL and the oscillation frequency are shown to be functions ofM and of the jet velocity. At larger values ofRe, the merging distance approaches a constant mean value and the amplitude of the oscillations becomes vanishingly small.At the scale of the mesh of the lattice, the oscillating phenomena is shown to result from the local confinement of the jet by its nearby neighbours. This observation is consistent with the fact that when the effect of the nearby jets is simulated by rigid walls, the frequency of the jet's oscillations is found to be of the same order. The influence of the hydrodynamical régime of the individual jets on the oscillations and the role of the lattice pattern on the collective behaviour is discussed on hand of an original model which focuses on the role of the recirculation zone on the delayed non linear saturation of the instabilities of the jet.     

混沌系统延迟反馈控制的理论与实验研究

综述了近年来控制混沌的延迟反馈控制技术------DFC控制的相关进展,总结了延迟反馈控制在不动点和不稳定周期轨道镇定方面的局限性和可控性研究的理论成果,介绍了延迟反馈控制在电子线路和磁弹性梁混沌控制方面的实验,并对延迟反馈控制技术未来的研究方向和发展前景进行了预测和展望。      

利用时滞反馈控制自参数振动系统的振动

主要研究采用时滞状态反馈控制自参数动力吸振器减振系统中主系统的振动问题.系统在简谐激励作用下,采用多尺度方法得到了自参数动力吸振器减振系统中饱和控制的范围.当系统处于饱和控制时,引入时滞状态反馈控制主系统的振动.主要分析了反馈增益系数和时滞两控制参数对主系统振动的影响.结果表明,存在反馈增益系数和时滞的调节区域能够减小主系统的振动.对某一反馈增益系数,可以在某段区间内调节时滞以减小主系统的振动.在时滞的调节区间内存在一个时滞的``最大减振点',能够在该反馈增益系数下最大程度地减小主系统的振动.研究还表明,随着反馈增益系数的不断增大,时滞在``最大减振点'时系统的减振能力也不断提高.通过合理的选择反馈增益系数和时滞两参数,主系统的振动几乎可以完全消除.      

时滞非线性动力吸振器的减振机理

对一个带有时滞非线性动力吸振器的两自由度结构,采用多尺度法研究了时滞非线性动力吸振器对主系统的减振性能,得到了主系统的振幅-时滞响应曲线.研究结果表明,对时滞非线性动力吸振器,可以通过调节反馈增益系数和时滞控制主系统的振动. 研究还发现,对确定的反馈增益系数,可以存在时滞的一些调节区域,时滞非线性动力吸振器可以减小主系统的振动. 并且在时滞的这些可调区域里,存在一个``最大减振点'对应这一反馈增益系数下主系统振幅的最小值.对不同的反馈增益系数,``最大减振点'对应的主系统的振幅也不同.因此能够找到一组反馈增益系数和时滞量的最佳值,最大程度地减小主系统的振动.研究结果表明,当反馈增益系数和时滞量调到最佳值时,主系统的振动较无时滞非线性动力吸振器可以减少90{%}左右, 数值模拟也证实了解析结果的正确性.