浮筏多通道协调振动主动控制实验研究

在浮筏上引入主动吸振器可以有效地改善其低频减振性能.建立了带有4个主动吸振器的浮筏振动主动控制实验系统;以提高系统低频减振性能为目标,研究了4个主动吸振器的协调控制问题.首先,通过实验建模获得系统的时域脉冲序列模型;在此基础上设计了基于多通道滤波x-最小均方(Least Mean Square,LMS)算法的自适应前馈控制律;最后,在实验系统上进行了4个目标点的多通道协调主动吸振控制实验,在15～25Hz频段内基本上都取得了15dB以上的主动减振效果.实验结果证明了多吸振器协调主动控制对提高浮筏低频减振能力的有效性.     

时变参数时滞减振控制研究

时滞动力吸振器对谐波激励有着良好的减振控制效果,但对随机激励的减振控制效果却并不明显,具体表现为时滞动力吸振器对随机激励的减振控制效果与被动吸振器几乎相同。针对上述问题,本文提出了一种新的时变参数时滞减振控制方法。在原有时滞减振控制方法的基础上,首先将时滞增益系数由定值形式变为时间函数形式,然后通过时变优化得到多组时滞控制参数并使其以一定时间周期循环作用于减振控制过程,通过这种方法进一步改善了时滞动力吸振器减振性能。本文最后以二自由度时滞动力吸振器减振模型为例,以主系统的振动响应为仿真对象,运用精细积分法求解了具有时变时滞参数的时滞动力学方程,以此得到了在谐波激励和随机激励作用下主系统振动的时域仿真结果。研究结果表明,在时变参数时滞动力吸振器的控制下,主系统无论是受谐波激励作用还是受随机激励作用,其振动位移、振动速度和振动加速度均比在定值参数时滞动力吸振器控制下时有大幅的减少,时滞动力吸振器的减振性能有了明显的改善。      

时变参数时滞减振控制研究

时滞动力吸振器对谐波激励有着良好的减振控制效果,但对随机激励的减振控制效果却并不明显,具体表现为时滞动力吸振器对随机激励的减振控制效果与被动吸振器几乎相同.针对上述问题,提出了一种新的时变参数时滞减振控制方法.在原有时滞减振控制方法的基础上,首先将时滞增益系数由定值形式变为时间函数形式,然后通过时变优化得到多组时滞控制参数并使其以一定时间周期循环作用于减振控制过程,通过这种方法进一步改善了时滞动力吸振器减振性能.最后以二自由度时滞动力吸振器减振模型为例,以主系统的振动响应为仿真对象,运用精细积分法求解了具有时变时滞参数的时滞动力学方程,以此得到了在谐波激励和随机激励作用下主系统振动的时域仿真结果.研究结果表明,在时变参数时滞动力吸振器的控制下,主系统无论是受谐波激励作用还是受随机激励作用,其振动位移、振动速度和振动加速度均比在定值参数时滞动力吸振器控制下时有大幅的减小,时滞动力吸振器的减振性能有了明显的改善.     

浮筏的主动吸振控制实验研究

浮筏在低频减振方面存在较大不足,而这恰是主动减振的优势.将两者相结合,研究了浮筏的主动吸振控制问题.研制了一种主动吸振器,建立了以DSP F2812为核心的控制系统;提出了符号LMS算法,与广泛使用的滤波x-LMS等算法相比,该算法不需要精确的模型信息;在此基础上设计了自适应前馈主动吸振控制律,并在浮筏实验平台上进行主动吸振控制实验.实验结果表明,通过主动吸振控制,浮筏的低频减振能力得到了显著的改善.     

高频宽带随机激励下的结构减振

本文运用能量观点,利用统计能量分析法的基本结论,对受高频宽带随机激励的结构,按不同要求,提出了两种不同的振动控制理论。从理论上阐明了结构的高频宽带随机振动水平与输入功率、结构的损耗因子、耦合损耗因子等的关系;得出了合理控制输入功率的大小、作用部位及损耗因子的大小、分配方式可降低结构振动的结论;发现了根据各分系统单个模态平均储存能量及损耗因子的大小,合理改变各分系统间的耦合损耗因子可控制结构振动的一般规律;给出了几种不同的结构减振措施;提出了不同于常规隔振式高频宽带结构减振。实验表明,上述分析及结论是正确的。     

推导随机平均方程的一种新方法

本文提出了一种推导随机平均方程的新方法。这种方法包括两步:第一步是随机平均,即将非白噪声的宽带激励近似地用白噪声代替,求出相应的Fokker-Planck-Kolmogorov方程的系数;第二步是确定性平均,即将所求出的FPK方程的系数进行平滑,使FPK方程简化并降维。本文第二部份导出了受到各种类型宽带激励的单自由度拟线性二阶系统的简化FPK方程系数的计算公式。本文第三部份通过推导受平稳随机激励的线性随机Mathieu-Hill方程以及受非平稳随机激励的滞后系统的随机平均方程,说明了这种方法的应用。     

不倒翁式电磁俘能器的非线性动力学特性研究

海洋波浪能作为一种可再生能源,将其俘获并转化为电能为无线传感器持续供电,可以推动海洋环境监测的数字化改造升级.然而,海浪能的低频与随机性等特征导致其俘获难度大.不倒翁结构具有不同于传统结构的超低频振动特性,并且其对低频激励敏感的特点,可以吸收周围振动能量.为此,文章通过引入不倒翁机制与Halbach磁铁阵列,构建了磁非线性力,设计一种不倒翁式电磁俘能器,以实现提高低频波浪能的俘获效果.首先,基于拉格朗日方程建立不倒翁式电磁俘能器的理论模型,并用谐波平衡法推导了不倒翁摆角与输出电压的频率响应关系.将解析解与数值解进行对比验证.其次,探究了激励频率与幅值等参数对系统动力学行为的影响规律.最后,研制了不倒翁式电磁俘能器原理样机,搭建俘能试验平台并进行试验,验证了理论模型的正确性.研究表明:引入磁非线性力使得系统呈现刚度硬化特征,有利于提升低频俘能效率.不倒翁式电磁俘能器随激励频率与幅值的变化,呈现周期、准周期及混沌运动等复杂动力学行为.低频与大激励条件更容易造成俘能器系统的混沌运动,有利于提高俘能效果.本研究为不倒翁式电磁俘能器的设计及在低频波浪能高效俘获的应用提供了理论支持.     

基于组合滑模控制的绝对重力仪两级主动减振设计

针对环境振动作用于参考棱镜,影响激光干涉式绝对重力测量精度的问题,提出一种超低频两级弹性主动减振控制方案,其模型参考控制采用了基于全局鲁棒因子和双幂次趋近律的组合滑模算法来实现。该方案的工作原理是由高分辨率加速度计作为振动敏感元件来检测振动信号,通过组合滑模算法模型参考控制音圈电机反作用于两级主动减振平台,消减载荷平台的垂直方向微振动位移以达到减振的目的。仿真分析表明,该方案对本征频率小于等于0.05 Hz的振动减振效果明显,在0.01～2 Hz的频段具有85%以上的减振能力,优于一般模型参考滑模控制20%～40%。     

主动减振技术述评

主动减振是指用控制系统抑制机械振动。它的悠久历史可以追溯到用离心摆调节蒸汽机的转速,至于应用伺服系统抑制结构振动,则是一项新兴技术。这是由于被动减振技术抑制超低频振动和宽频带随机振动的效果较差,往往不能满足工程界提出的技术要求。另一方面,最近三四十年内自动控制技术有飞跃发展,为主动减振技术的兴起创造了必要条件。因为它的实用价值很 ...     

扁壳结构弯曲与扭转振动控制试验研究

扁壳结构的弯曲与扭转振动控制对该类结构的应用具有重要意义。本文采用不影响壳体结构的粗压电纤维复合材料(MFC)作动器对其弯曲与扭转振动进行主动控制。建立局部表面粘贴MFC作动器的开口圆柱扁壳的动力学解析模型,得到了作动力和作动力矩的解析表达式,分析了扁壳结构上MFC作动器在弯曲与扭转振动控制中的作动机理。针对一开口碳纤维圆柱扁壳,设计了模糊PD控制器,开展了定频与随机激励下壳体弯曲与扭转振动控制试验,并与传统PD控制试验效果进行了对比。结果表明:MFC作动器在壳体弯曲和扭转振动控制方面作动能力突出;模糊PD控制器的控制效果优于传统PD控制器的控制效果。     

Experiment of active control using electromagnetic force

In the use of the feedback designed by the transfer function method, the experiment on active control, in which an electromagnetic exciter is used as an actuator, is studied in this paper. The experiment has been made using a car model with four degrees of freedom (4 DOF) excited by low frequency sine or wider bandwidth random signal. This shows that the electromagnetic exciter is suitable for active control in the case of low frequency and wider bandwidth random signal because of its short mechanical delay, and the attenuating effect is above 80%.The project was supported by National Natural Science Foundation of China.     

体外预应力索与简支梁耦合振动的特性

体外预应力结构是一种由体外索和普通结构组成的预应力组合结构,被广泛地应用在各类结构中。基于体外预应力索与梁耦合振动的振动特性,建立体外预应力梁振动模型,推导出了不同体外预应力束线型等直线弹性梁的自振频率方程。在体外预应力钢束混凝土梁电磁激振器扫频试验中,测试了不同预应力条件下梁的基频。理论和试验研究表明体外预应力束线型、预应力束拉伸刚度和梁振型模态对梁自振频率的影响是明显的。     

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.      

Optimal truncated model for vibration control design within a specified bandwidth

The work in this paper is directed at developing correction terms for a truncated structural dynamic model, which includes the effect on the structural response of both low and high frequency unmodelled vibration modes. The proposed model correction approach considers the corrected truncated model that only takes into account resonant modes within the bandwidth of interest and the optimised correction terms. The proposed approach is in contrast to the standard model correction approach that normally utilises a feedthrough correction term, taking into account only the unmodelled high frequency modes, while including all low frequency resonant modes into the truncated model. Thus, when one only interested in controlling vibration associated with a specified bandwidth of interest, the order of the corrected truncated model can be kept sufficiently low since the model does not have to include low and high frequency modes, leading to less complicated control design problems. Such active control within the specified bandwidth can be crucial for control tasks in the vibration minimisation at localised structural regions or in the noise reduction due to some coupled structural–acoustic modes. The procedures for calculating the optimal correction terms which include the lower and higher order mode contributions are outlined for both analytical and experimental models, allowing the procedures to be used for a wide range of theoretical and practical applications.     

冲击波超压测试系统二次仪表频域特性

从二次仪表对冲击波的峰值、持续时间和比冲量3个主要参数的影响出发,首先构建了冲击波信号用以分析冲击波信号特性;搭建了适配器等效电路,对适配器的低频特性进行了实验研究;在MATLAB平台上构建了5种常用滤波器模型,模拟了不同类型滤波器和不同截止频率下测试系统的输出。模拟和实验结果表明:适配器的低频特性影响冲击波信号的持续时间和比冲量;在5种滤波器中贝塞尔滤波器最适合冲击波测试系统;滤波器截止频率对冲击波超压峰值影响明显;小型试验对测试系统的带宽要求高。     

The fatigue of aluminum alloys subjected to random loading

This paper describes an expeirmental investigation which was carried out to determine the fatigue life of two aluminum alloys (2024-T3 and 6061-T6). They were subjected to both constant-strain-amplitude sinusoidal and narrow-band random-strain-amplitude fatigue loadings. The fatigue-life values obtained from the narrow-band random testing were compared with theoretical predictions based on Miner's linear accumulation of damage hypothesis. Cantilever-beam-test specimens fabricated from the aluminum alloys were subjected to either a constant-strain-amplitude sinusoidal or a narrow-band random base excitation by means of an electromagnetic vibrations exciter. It was found that the ε-N curves for both alloys could be approximated by three straight-line segments in the low-, intermediate- and high-cycle fatigue-life ranges. Miner's hypothesis was used to predict the narrow-band random fatigue lives of materials with this type of ε-N behavior. These fatigue-life predictions were found to consistently overestimate the acutal fatigue lives by a factor of 2 or 3. However, the shape of the predicted fatigue-life curves and the high-cycle fatigue behavior of both materials were found to be in good agreement with the experimental results.     

Radiation of electromagneticwaves by a spheroidal charged drop oscillating in a uniform electrostatic field

The dispersion relation is derived for a spheroidal charged drop oscillating in a uniform electrostatic field and radiating electromagnetic waves in the first and second orders with respect to the dimensionless oscillation amplitude and the steady-state deformation, respectively. For an individual drop and a model cloud the intensity of the electromagnetic radiation and the frequency bandwidth are estimated as functions of the drop dimensions and charge and the external electric field strength.     

基于等效输入的光纤陀螺带宽自主测试方法

针对光纤陀螺频带测试角震动台输入频率低的问题,通过在光纤陀螺反馈阶梯波上叠加正弦信号用于等效外部输入角速度,对陀螺解调输出信号按照幅值进行判断得到陀螺带宽。分析了输入等效正弦波幅值满足条件;针对正弦信号在相位调制器上调制产生的相位差随频率变化的缺点对相位差幅值进行补偿;提出了利用直接数字合成技术生成正弦波信号和极值搜索算法检测信号幅值的带宽检测方案,利用陀螺自身硬件基础实现自主检测。通过建立数字闭环光纤陀螺模型,利用Simulink进行了仿真分析。结果表明该检测算法能实现陀螺频带宽度的全频率范围测量,不受外部输入信号测试频率限制,能够用于光纤陀螺带宽测试。     

随机激励下受热翼面的模态频率特性试验研究

现代高速飞行器结构热模态频率特性试验研究,对这类飞行器设计校核和飞行安全具有重要意义。根据飞行过程中遭受的气动加热特性设计了瞬态热环境模拟系统,同时,根据高温环境的特点对测试中的激励和测量方式进行了重新设计,成功地将普通激振器应用于高温结构模态试验,最终将热环境模拟系统与振动测试系统组合,形成一套考虑瞬态热影响的热模态试验系统,实现了瞬态热环境下结构模态的地面测试。对一个切尖三角翼测量了各个加热区的温度随加热时间的变化,验证了加热温度控制的精确性;在纯随机激励下对测得的激励和振动响应信号采用短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transformation,STFT)进行时变模态参数辨识,获得了前四阶模态频率随加热时间的变化,并与结构有限元数值计算结果进行了比较,试验与计算结果吻合得很好,验证了该试验方法对热模态测试问题的有效性和准确性。通过分别对瞬态和稳态热环境下结构模态频率试验和计算结果的分析,探讨了结构瞬态温度场对模态频率影响的机理,揭示了结构内部存在的热应力和材料属性的变化,是决定模态频率随加热时间变化趋势的内在原因。     

冻结立井爆破近区井壁振动信号基线漂移校正和消噪方法

冻结立井爆破过程中,近区监测信号中含有的基线漂零及噪声成分对其局部特征精细化提取影响显著。在对近区井壁振动信号有效采集基础上,通过互补总体经验模态分解（complementary ensemble empirical mode decomposition, CEEMD）方法、稀疏化基线估计消噪（baseline estimation and de-noising with sparsity, BEADS）方法和隐马尔可夫模型消噪（hidden Markov model de-noising, HMMD）方法等,解决了信号中基线漂移和随机噪声消除难题,并采用交叉小波变换对校正和消噪效果进行了相关性评价。实例分析结果表明：信号中缓变的基线成分遍历信号各个模态分量的整个过程,且主要集中于低频分量中,而噪声则集中在高频分量。组合分析方法对低频基线漂零和高频噪声的处理效果好,是一种高效且相对保幅的信号分析方法,可用于批量信号数据的预处理过程。