Model-Based Feedback Control of Acoustic Radiation from Vibrating Structures by Means of Structural Control

In this work, it is investigated how classical techniques of linear feedback control design can be applied to the problem of the reduction of acoustic radiation from vibrating structures for cases where the disturbance is broadband and where no reference is available. Much of the work carried out to date in the field of active noise and vibration control has concentrated on applications where either the disturbance to be cancelled is periodic (propeller noise in aircraft,...) or a reference signal, highly correlated with the disturbance, is available (air conditioning duct noise,...) such that a feedforward control approach can be used. When the disturbance is broadband and where no reference is available, feedforward control cannot be used and feedback control must instead be used. Feedback control theory is well established and a vast amount of analytical tools are available to the feedback control designer. However, due to the inherent delays associated with the propagation of sound waves, feedback control of acoustic fields is prone to being unstable. In this paper, a controller is presented which feeds back a measure of the structural response (vibration) of the system in order to determine the control force that needs to be applied to the vibrating structure in order to reduce the total acoustic energy radiated by the vibrating structure. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Optimal placement of piezoelectric active bars in vibration control by topological optimization

A continuous variable optimization method and a topological optimization method are proposed for the vibration control of piezoelectric truss structures by means of the optimal placements of active bars. In this optimization model, a zero-one discrete variable is defined in order to solve the optimal placement of piezoelectric active bars. At the same time, the feedback gains are also optimized as continuous design variables. A two-phase procedure is proposed to solve the optimization problem. The sequential linear programming algorithm is used to solve optimization problem and the sensitivity analysis is carried out for objective and constraint functions to make linear approximations. On the basis of the Newmark time integration of structural transient dynamic responses, a new sensitivity analysis method is developed in this paper for the vibration control problem of piezoelectric truss structures with respect to various kinds of design variables. Numerical examples are given in the paper to demonstrate the effectiveness of the methods.     

滞变智能隔震结构的序列最优控制算法

将地震波简化为一系列脉冲,在每个时间步长上重新构造控制目标函数,建立了一种新的时域内的结构振动最优控制算法,并在滞变模型的智能隔震结构中用状态转移法加以实现.文中采用Bouc-Wen模型描述结构恢复力,并利用等效线性化方法处理非线性运动方程,分别导出了状态反馈和输出加权的两种表达式.文末选用作者承担设计过的实际隔震建筑中的一个单体工程作为算例,比较了输入三种不同地震波时各种算法的控制效果.结果表明,在相同控制能量下,本文算法对滞变结构能有效地削减响应峰值,综合性能优于现有的两种时域内的结构最优控制算法.     

Parametric vibration stability and active control of nonlinear beams

The vibration stability and the active control of the parametrically excited nonlinear beam structures are studied by using the piezoelectric material. The velocity feedback control algorithm is used to obtain the active damping. The cubic nonlinear equation of motion with damping is established by employing Hamilton’s principle. The multiple-scale method is used to solve the equation of motion, and the stable region is obtained. The effects of the control gain and the amplitude of the external force on the stable region and the amplitude-frequency curve are analyzed numerically. From the numerical results, it is seen that, with the increase in the feedback control gain, the axial force, to which the structure can be subjected, is increased, and in a certain scope, the structural active damping ratio is also increased. With the increase in the control gain, the response amplitude decreases gradually, but the required control voltage exists a peak value.     

基于虚拟力概念的柔性臂空间机器人模糊退步自适应控制算法设计

讨论了漂浮基柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动轨迹跟踪控制算法设计及柔性振动主动抑制。采用多体动力学建模方法并结合假设模态法,建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学模型。基于该模型,针对系统惯性参数未知情况,提出了刚性运动基于模糊基函数网络自适应调节的退步控制算法,以完成柔性臂空间机器人载体姿态及机械臂各关节铰的协调运动。然后,为了主动抑制系统柔性振动,运用虚拟力的概念,构造了同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制算法,提出了基于虚拟力概念的模糊退步自适应控制算法;这样不但保证了之前刚性运动控制方案对模型不确定的鲁棒性,而且能主动抑制柔性振动,从而提高了轨迹跟踪性能。理论分析及数值仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

介电弹性作动器主动隔振模糊控制试验研究

采用模糊控制策略,开展介电弹性作动器的主动隔振性能试验研究。基于介电弹性材料的Maxwell应力模型建立了作动器的力电耦合模型,分析了作动器的非线性特性;针对隔振系统设计了Mamdani型模糊控制器,建立了控制电压信号与振动响应之间的关系;在此基础上,开展了介电弹性作动器主动隔振试验研究,并与加速度反馈控制进行了对比。试验结果表明,在相同驱动电压的情况下,基于模糊控制策略的主动隔振性能要优于加速度反馈控制,且能够显著降低由于非线性驱动力导致的倍频响应幅值,有助于提高隔振系统的稳定性。     

压电智能结构模糊自学习控制(FSLC)

将模糊逻辑与学习控制的基本思想相结合,根据控制系统的动态输出特性,采用模糊控制对学习控制律中的参数进行实时校正,实现系统的动态学习过程,提出了一种适用于压电智能结构振动控制的模糊自学控制方法FSLC（FuzzySelf-LearningContr01）。分别采用三维8节点实体单元（Solid45）和耦合单元模拟主结构和压电致动器／传感器,基于ANSYS参数化语言编写了压电智能结构振动控制分析的有限元程序。通过数值仿真证明了模糊自学习控制方法能有效控制压电结构的振动,并提高了自学习控制的收敛速度和获得了很好的控制效果。     

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     

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.     

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．     

结构振动瞬时最优控制的一种时滞补偿算法

 应用最优控制原理，对结构动力响应实时在线控制进行了时滞 补偿. 提出一种基于系统差分方程的瞬时最优控制算法，推导出闭环 状态反馈控制补偿增益矩阵，并讨论了补偿前后系统的稳定性. 仿真 结果表明，此算法有效地补偿了时滞带给结构动力响应的不良影响， 并保证了结构的稳定性.     

层叠式PVDF压电作动器及圆柱壳的振动主动控制

设计了一个层叠式PVDF压电作动器用于壳结构的振动控制。考虑压电层、粘接层、壳体耦合关系,推导了表面局部粘贴层叠式PVDF压电作动器的圆柱壳的振动控制方程,给出了作动力与压电层和粘接层层数、厚度之间的关系以及作动力与作动器粘贴位置之间的关系。针对一端固定、另一端自由的圆柱壳,进行了振动控制仿真。结果表明层叠式PVDF压电作动器作动力与作动器层数近似成线性关系,增大作动器层数能有效增大作动力,在低控制电压下能显著抑制圆柱壳振动,作动器周向不完全粘贴时,在径向产生的径向作动力对壳体横向振动控制非常有利。说明了层叠式PVDF压电作动器是一种可用于壳体结构振动并具有良好作动效果的作动器。     

地震激励下参数不确定结构重叠分散保性能控制

对参数不确定结构振动控制方法进行了研究。基于包含原理,采用重叠分散控制策略与保性能控制算法相结合的方法,将高层建筑结构划分成一组子结构,对每一个子结构采用保性能控制方法设计控制器,提出了参数不确定结构重叠分散保性能控制方法,较好地解决了地震激励下参数不确定建筑结构的振动控制问题。以20层Benchmark结构模型为研究对象,采用重叠分散保性能控制策略和集中保性能控制策略进行数值模拟。结果表明,对于结构系统建模存在误差或系统本身存在不确定性的情况,本文提出的重叠分散保性能控制方法均能有效降低结构的地震响应,且能够保证控制系统的可靠性和稳定性。     

基于磁流变阻尼器的多单体组合隔震结构模糊控制研究

提出了一种新的组合结构振动控制体系——多单体组合隔震结构,建立了力学模型及运动方程。基于瞬时最优控制算法,将控制力表达成阻尼力的形式,用磁流变阻尼器充当控制器,运用模糊控制方法对其进行控制。通过计算机仿真分析,并运用LQR控制与之进行对比。研究结果表明,这种组合隔震结构体系的控制效果明显,各结构的地震响应都有明显降低。采用模糊控制不需要建立精确的计算模型,并能达到与LQR控制相接近的控制效果。用磁流变阻尼器充当控制器减少了能量输入,在结构2与结构3之间安装弹簧-阻尼器使控制更容易实现。     

振动控制作动器的数目和位置优化设计

提出一种确定作动器的数目和优化设计作动器位置的方法。以独立模态最优控制方法为基础,将模态控制力和作动器作动力处理为随机变量,建立了模态控制力能量的自相关矩阵和作动器作动力能量的自相关矩阵。进一步通过作动力能量的自相关阵包含的能量确定了作动器的数目,在此基础上,建立了基于控制系统作动力消耗能量最小,优化设计控制系统的作动器最优位置。通过数值算例证明了该方法的有效性。     

On the Control of the Friction Force

This paper tackles the problem of controlling the Coulomb friction force in order to achieve damping characteristics which can be advantageous in engineering applications, particularly in the area of vibration control, for example, vehicle suspensions, rotating machinery foundations or earthquake protection systems. The control schemes employed belong to the family of variable structure controllers (VSC), a class of robust control algorithms, namely sliding mode control (SMC) and switched state feedback (SSF). The schemes perform force tracking control, aiming at making the friction force track a reference force in order to reduce the acceleration experienced by a suspended mass. The plant investigated is a 2-degree of freedom system and in this study represents a quarter car. The controller performances are investigated both numerically and experimentally.     

Stabilization control for offshore steel jacket platforms with actuator time-delays

This paper is concerned with the stabilization control for the offshore steel jacket platforms subject to wave-induced force. Two state feedback stabilization control schemes are proposed to reduce the vibration amplitudes of the systems. One scheme is that for the systems without actuator time-delay, a state feedback controller is designed. Compared with the nonlinear controller, both the control force and the vibration amplitudes of the systems under the state feedback controller are much reduced; and compared with the dynamic output feedback controller and the integral sliding mode controller, the required control force under the state feedback controller are significantly reduced. The other scheme is that based on the integral inequality approach, a delay-dependent state feedback controller, which can be solved by using the cone complementarity algorithm, is developed to control the systems with actuator time-delays. Compared with the state feedback controller, the delay-dependent state feedback controller is less conservative with actuator time-delays. In addition, it is capable of improving the control performance of the offshore platforms significantly, which are illustrated by simulation results.     

复合柔性结构全局模态函数提取与状态空间模型构建

随着航空航天等领域中实际工程结构的大型化和柔性化,结构的非线性振动和主动振动控制问题越来越凸显.分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统的非线性动力学模型与状态空间模型.对于由柔性部件、刚体、连接部件构成的复合柔性结构,由于各部件之间的振动耦合效应,单个柔性部件在悬臂、简支和自由等静定边界下的模态与结构的真实模态有较大差异.为此,本文提出复合柔性结构全局模态的解析提取方法,通过全局模态离散得到系统非线性动力学模型,从而构建状态空间模型.该方法采用笛卡尔坐标描述系统的运动,建立系统的运动方程;结合描述柔性部件的偏微分方程、刚体的常微分运动方程、连接界面处力、力矩、位移和转角的匹配条件以及系统的边界条件,利用分离变量法给出统一形式的频率方程,获取系统的固有频率和解析函数表征的全局模态.这里提出的全局模态提取方法不仅便于复合柔性结构固有频率和全局模态的参数化分析,而且为建立复合柔性结构低维非线性动力学模型和状态空间模型提供了有效的途径,对于推进这类结构的非线性动力学分析与主动振动控制研究具有重要意义.      

基于分析传函的有源力控FLMS算法研究

针对结构振动和声辐射有源控制中对误差传函现有建模方法的不足 ,本文对该系统的物理通道进行了分析建模 ,形成了基于分析传函模型的 FLMS算法 ,该分析传函模型中充分包含了结构的振动模态信息 ,无论激励力源是单频还是宽频激励力源 ,该模型都可以在实施 FLMS算法之前确定所需参数。随后在该算法的计算机模拟实验中 ,通过与时延估计法的比较 ,表明该方法扩大了步长因子的取值范围 ,扩大了收敛域 ,该模型的建立为有效实施有源控制的自适应算法提供了一条新的途径。     

回滞非线性结构的瞬态最优控制

本文对一种国滞非线性基础隔振的主从结构模型用瞬态最优控制法进行振动控制研究。利用四阶Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ积分格式统一处理最优控制方程，可直接逐步积分求出系统在瞬态最优控制下的最优控制力与系统响应。分别对主从结构无主动控制及有主动控制时的两种情况（包含或不包含ｖｂ反馈）进行计算。结果表明瞬态最优控制可有效地抑制振动。