密集模态挠性结构传感器/作动器的优化配置

在适当的假设条件下,推导出了压电作动器产生的弯矩与输入电压的关系式及压电传感器输出电压与输入弯矩的关系,进而得到H型密集模态挠性板模型的状态空间表达式,并由此模型出发,采用一种基于能量的传感器/作动器的优化配置策略,该准则可以很自然地研究整个动态模型的可控性和可观性,进而确定传感器/作动器的位置。针对H型密集模态挠性板振动主动控制的数值仿真表明了该准则的有效性。     

主动板的正交性条件

给出主动结构的伴随主动结构定义,将由离散主动结构的基本方程推导出来的互易定理推广应用于连续主动结构,具体研究分布作动和分布测量的主动板.通过引入作动和测量的位置函数,给出线性控制方程和测量方程,推导出用主动板振型和伴随主动板振型表示的模态正交性条件,并用数值模拟实例加以解释.应用这些正交性条件,可将主动板的运动微分方程解耦.     

基于微粒群算法优化支持向量机的加速度计静态模型辨识

针对加速度计静态模型采用线性近似模型辨识存在较大误差的问题,利用支持向量回归在小样本、非线性及高维特征空间中具有很好的推广能力的优点,提出了一种利用支持向量回归进行加速度计静态模型辨识的方法.为了避免随机试凑法识别支持向量回归参数费时的问题,采用高效的并行搜索算法-微粒群算法进行支持向量回归参数优化.利用精密光学分度头对石英挠性加速度计进行了12位置静态翻滚试验,试验结果表明所提方法可以精确地对石英挠性加速度计静态模型进行辨识,其模型精度比最小二乘辨识法的模型精度提高一倍以上.     

挠性航天器动力学模型的非约束模态分析

挠性航天器动力学建模中的挠性耦合影响系数是动力学建模中的重要力学概念,它反映了航天器姿态和轨道运动与挠性附件的弹性振动效应. 挠性耦合影响系数间的恒等式关系,即惯性完备性准则,是挠性航天器动力学模型降阶和模态截断的重要依据. 以中心刚体带挠性附件航天器为研究对象,采用约束模态和非约束模态法描述挠性附件结构变形,利用欧拉-拉格朗日方程建立挠性航天器的动力学模型. 基于 Hughes 的研究成果,对挠性航天器的非约束模态恒等式及其用于动力学模型降阶的惯性完备性准则进行了证明和应用研究. 探讨了两种动力学模型惯量间的关系,并利用约束模态惯性完备性准则,推导了非约束模态惯性完备性准则. 最后,对中心刚体带双侧太阳帆板和带单侧太阳帆板构成的挠性航天器模型进行数值仿真计算,求出挠性附件非约束模态平动耦合系数,分析了非约束模态特征值和平动耦合系数随着刚柔质量比的变化情况,并尝试用非约束模态惯性完备性准则的质量特征恒等式对挠性航天器模型进行了检验.      

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.     

石英挠性加速度计温度补偿算法

石英挠性加速度是惯性导航系统核心的惯性器件之一,其输出精度受到温度变化的影响,为了降低温度对石英挠性加速度计精度的影响,在研究石英挠性加速度计数学模型的系数随温度变化规律的基础上,设计了加速度计温度模型辨识试验方法,利用数据拟合方法建立了加速度计温度模型。应用该模型提出了石英挠性加速度温度补偿算法,针对该算法的有效性,进行了实验验证,结果表明应用该温度补偿算法,可使加速度计的测量精度提高一个数量级,补偿效果明显。该温度补偿算法可有效地应用于捷联式惯性导航系统等领域中。     

基于加速度信号的柔性板的挠性参数辨识

以柔性板为对象,开展了结构挠性参数辨识技术的研究. 给出了一种基于加速度信号输出的特征系统实现算法的计算格式,基于粒子群优化算法给出了加速度传感器在柔性板上的优化位置. 仿真结果显示,粒子群方法能够有效地确定出传感器在板上的优化位置,特征系统实现算法能够有效地辨识出结构的挠性参数.      

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.      

平流层飞艇气动参数辨识

进入21世纪以来,随着科技的飞速发展,世界上掀起了研究和开发平流层平台的热潮。飞艇作为平流层平台可以实现无线通信、空间观测、大气测量以及军事侦查等目的。本文首先将飞艇所受的气动力分成由于来流速度产生的定常气动力和飞艇转动引起的非定常气动力两部分,通过理论分析建立了飞艇的气动力模型,从而得到需要辨识的气动参数。其次建立了以浮心为原点的六自由度非线性动力学模型和一种基于混合遗传算法的气动力系数辨识方法——混合遗传算法（遗传算法＋单纯型法）与极大似然法相结合的方法,并利用该方法对飞艇的气动参数进行辨识。通过仿真结果验证了该方法实用性和有效性。最后通过对气动参数的准确值与辨识值的分析比较,得出各个参数对飞艇运动性能的影响情况。     

安装蜂窝板动力学特性分析及主动控制试验研究

通过对蜂窝芯的等效化处理,建立了ANSYS的壳单元模型,并作有限元模态分析,然后与其试验模态分析结果比较,有限元分析结果和试验结果基本一致。通过ANSYS的PSD随机功率谱分析和模态分析所得振型确定了贴片位置,对蜂窝板进行了压电智能结构振动主动控制试验研究,得到了较好的振动抑制效果。分析结果为仪器安装蜂窝板的设计和实现智能结构控制提供了重要参考依据。     

压电促动器存在故障时柔性板的μ综合振动主动控制研究

利用柔性板的实验模型研究了一种考虑作动器驱动力故障的鲁棒控制器。首先识别出粘贴压电促动器的柔性板振动控制系统实验模型,基于此利用改变压电片对联接数量来模拟促动器驱动故障,并设计了将驱动力变化提取成正则不确定块对角阵的方法,同时将剩余模态表示成高通滤波器,再通过引入虚拟不确定,构建了考虑外扰抑制和控制增益约束的综合控制器。数值仿真验证了闭环系统理论上的鲁棒稳定性。实测试验结果显示,与一般的μ控制器相比,当闭环过程中出现压电促动器驱动故障时,初始外扰下,控制结束时振幅峰峰值降低了3V,持续随机外扰下,降噪量提高了近3dB。数值仿真验证了闭环系统理论上的鲁棒稳定性。实测试验结果显示,与一般的μ控制器相比,当闭环过程中出现压电促动器驱动故障时,初始外扰下,控制结束时振幅峰峰值降低了3V,持续随机外扰下,降噪量提高近了3dB。     

Model reduction and active control of flexible beam using internal balance technique

The internal balance technique is effective for the model reduction in flexible structures,especially the ones with dense frequencies.However,due to the difficulty in extracting the internal balance modal coordinates from the physical sensor readings,research on this topic has been mostly theoretical so far,and little has been done in experiments or engineering applications.This paper studies the internal balance method theoretically as well as experimentally and designs an active controller based on the reduction model.The research works on a digital signal processor (DSP) TMS320F2812-based experiment system with a flexible beam and proposes an approximate approach to access the internal balance modal coordinates.The simulation and test results have shown that the proposed approach is feasible and effective,and the designed controller is successful in restraining the beam vibration.     

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．     

基于Welch法的协方差随机子空间方法的模态参数识别

对工程结构进行环境激励下的模态参数识别具有重要意义,而随机子空间法作为适合环境激励下模态参数识别的时域方法,由于噪声和复杂激励的原因,会产生虚假模态、真实模态遗漏、系统自动定阶难和计算效率等问题,这些问题阻碍了该方法在实际工程中的广泛应用.本文提出了基于Welch法的随机子空间方法,通过Welch法对振动响应在频域进行去噪、降低环境激励和其他不确定性因素影响的处理,把结构固有模态从噪声和激励频率中突显出来,形成富含更多结构模态的Toeplitz矩阵,然后进行奇异值分解和状态矩阵计算,最后进行特征值分析.为了实现自动定阶,对不同奇异值分量构建的状态矩阵得到的特征参数,进行模糊C均值聚类分析和模态的平均相位偏移分析,剔除虚假模态,实现结构模态参数的自动识别.并把本文所提出方法应用于一座大跨悬索桥的实测加速度响应分析,和一座七十层的高层建筑的加速度响应分析,跟频域分解法、传统随机子空间法和基于相关分析的随机子空间法的计算结果进行了比较,发现基于Welch方法的随机子空间法相比于传统随机子空间法和基于相关分析的随机子空间法,在避免模态遗漏和计算效率方面有显著提高,而相对于频域分解法则在自动识别...     

中心刚体-柔性梁系统的最优跟踪控制

对考虑阻尼影响的中心刚体-柔性梁系统的动力特性和主动控制进行研究. 研究 中考虑了3种动力学模型：一次近似耦合模型、一次近似简化模型和线性化模型. 一次近 似模型中同时考虑了柔性梁的轴向变形和横向变形. 若在一次近似耦合模型中忽略轴向变 形的影响,则可得出一次近似简化模型. 线性化模型是对一次近似简化模型的线性化处理. 另外研究中考虑了3种阻尼因素：结构阻尼、风阻、中心刚体轴承处的阻尼. 控制设计采 用最优跟踪控制方法. 给出了从物理测量中提取模态坐标的滤波器方法. 研究结果显 示,一次近似简化模型能够有效地对系统的动力学行为进行描述;阻尼对系统的动力学特 性有着重要影响;当系统大范围运动为低速时,模态滤波器能够较好地提取出控制律所需 的模态坐标,最优跟踪控制方法能够使得系统跟踪所期望的运动轨迹,并且柔性梁的弹性 振动可得到抑制.     

Modal parameter identification based on ARMAV and state–space approaches

An accurate prediction for the response of civil and mechanical engineering structures subject to ambient excitation requires the information of dynamic properties of these structures including natural frequencies, damping ratios and mode shapes. Since the excitation force is not available as a measured signal, we need to develop techniques which are capable of accurately extracting the modal parameters from output-only data. This article presents the results of modal parameter identification using two time-domain methods as follows: the autoregressive moving average vector (ARMAV) method and the state–space method. These methods directly work with the recorded time signals and allow the analysis of structures where only the output is measured, while the input is unmeasured and unknown. The equivalence between ARMAV and state–space approaches for the problem of modal parameter identification of vibrating systems is shown in the article. Using only the singular value decomposition of a block Hankel matrix of sample covariances, it is shown that these two approaches give identical modal parameters in the case where the block Hankel matrix has full row rank. The time-domain modal identification algorithms have a serious problem of model order determination: when extracting structural modes these algorithms always generate spurious modes. A modal indicator to differentiate spurious and structural modes is presented. Numerical and experimental examples are given to show the effectiveness of the ARMAV or state–space approaches in modal parameter identification using response data only.     

基于时间响应函数的结构阻尼识别方法比较

研究了3种基于时间响应函数的结构阻尼识别方法, 包括对数衰减法、希尔 伯特方法和小波方法. 给出了3种方法的实现算法, 分析了对密集模态的识别能力. 构造仿真算例, 采用3种方法识别了5{\%}, 10{\%}和30{\%}噪声条件下的模态阻尼. 结果表明, 小波方法比对数衰减法和希尔伯特方法具有更好的噪声鲁棒性. 采用小波方法分析了润扬大桥结构健康监测系统获得的实测数据, 识别出了润扬大桥悬索桥前6阶模态参数, 第2阶和第3阶模态频率相差仅为0.015\,Hz. 研究表明, 小波方法具备噪声条件下密集模态的识别能力, 是工程中阻尼识别的优选方法.     

On a modal damping identification model of building structures

The simple modal damping identification model of Hart and Vasudevan is generalized. The model works in the frequency domain and provides time-invariant modal damping ratios of building structures under seismic excitations in terms of modal participation factors and the roof-to-basement transfer function. Translational as well as torsional modes of vibration are considered. The performance of the model is assessed through a small, yet indicative, number of numerical examples involving steel plane and space frames under seismic excitations and on the basis of a number of criteria an ideal identification model should satisfy. It is concluded that the presented model, in spite of its simplicity, gives very good results for low-amplitude seismic excitations resulting in linear elastic structural behavior (with damping) even for cases of closely spaced modes, local modes, and very small or large amounts of damping. Some numerical pitfalls regarding the application of the model are mentioned and carefully treated. The limitations of the model when used in conjunction with inelastic structural behavior are determined and discussed. Experimental verification of the model is also provided.     

碰撞激发弹塑性波传播的动态子结构方法

通过建立弹塑性碰撞动态子结构模型, 推导了模态坐标下的控制方程,提出了模拟柔性结构碰撞激发弹塑性波传播的动态子结构方法, 并对其中的主模态的存在性和主模态截断的收敛性进行了证明. 通过对柔性杆纵向碰撞和柔性梁横向碰撞两个算例的计算, 并将计算结果与理论解和三维动力有限方法计算结果进行了对比, 验证了该方法的数值收敛性和计算碰撞弹塑性波传播的有效性.