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.      

时滞反馈控制的若干问题

近几十年来, 时滞系统动力学的研究得到了众多学者的大量关注, 研究者在时滞系统的稳定性、非线性、辨识、时滞消除与利用技术等方面做了大量研究, 取得了许多成果. 本文主要介绍作者十多年来在时滞系统动力学方面的研究成果, 包括时滞辨识、两种基于时滞方程的控制律的设计方法、时滞鲁棒控制律的设计、时滞正反馈控制技术、非线性结构时滞控制律的设计、时滞实验等内容.     

车辆半主动悬架非线性反馈控制

本文给出了一种非一性反馈半主动悬架控制规律，数值分析结果表明，此控制规律良好的减拓效果。     

考虑时滞的框架结构控制可靠性研究

提出了一种适合于确定框架结构可靠性计算方法．利用模态变换,把系统变为模态独立的振动方程,根据Field提出的假设,先定义阈值,假设控制后系统响应对阚值的穿阚率服从泊松分布,然后根据各模态的控制结果确定相应的可靠性．最后根据Veneziano提出的方法给出系统的可靠性。本文提出针对框架重点部位的控制输出来确定系统可靠性概念。考虑到实际情况,在控制方法选择针对系统不确定性具有较好控制效果的广义预测控制并考虑时滞影响。本文最后给出了计算实例。     

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。     

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。     

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。     

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.      

含时滞的LQ控制车辆悬架的研究

研究时滞对具有LQ最优控制的1／4汽车线性悬架模型的动特性影响。首先采用了广义的Sturm序列判断准则给出了不同控制增益下单自由度车模型全时滞稳定区,以及在给定时滞情况下绘出了控制增益稳定区;其次,给出了两自由度车模型的全时滞稳定区以及系统在给定的增益下临界时滞的值。此外,讨论了全状态反馈下的稳定性以及稳定性切换问题;最后研究了时滞对系统动力学行为的影响。     

考虑主动时滞的汽车悬架系统控制特性研究

以汽车悬架系统为研究对象,采用理论和试验相结合的方法对考虑主动时滞的悬架系统控制特性进行分析。首先建立含时滞悬架系统动力学模型,分析系统的控制稳定性。理论和仿真结果均表明,采用传统二次型最优控制律不能保证含时滞系统的稳定性。系统时滞量存在稳定区间,时滞超出稳定区间时系统将失稳发散;为了保证控制系统的稳定性,采用状态变换法设计了含时滞系统的主动控制律,计算表明,该控制律可以保证系统稳定性。研究还发现,时滞量的变化会使系统振动幅值产生较大改变,为此在控制系统中引入主动时滞,研究主动时滞对系统振动特性的影响,计算表明,合理的主动时滞可以降低系统振动幅值;为验证结果的正确性,搭建了悬架时滞主动控制试验平台,通过对相同工况下仿真结果与试验结果进行对比,发现两者具有较好的一致性;而由于悬架受到的路面激励具有随机性,采用含时滞系统的主动控制律对路面随机激励下的悬架系统进行控制分析,发现当主动时滞为0.04 s时,车身加速度均方根值比无主动时滞降低了39.4%,说明主动时滞对悬架控制的有效性。本文研究对时滞主动控制的理论研究具有重要的促进作用。     

时滞系统的实用稳定性和Liapunov稳定性

本文主要研究非线性时滞系统在两种度量下的实用稳定性问题．首先引入一类Ｒａｚｕｍｉｋｈｉｎ型微分比较原理和单调性准则，在此基础上提出一种Ｌｉａｐｕｎｏｖ－Ｒａｚｕｍｉｋｈｉｎ型直接方法，建立一般形式的实用稳定性直接判据．这些判据将问题约化为一组有限维的微分或积分不等式，可以直接根据系统方程进行检验，便于实际应用．然后利用这些结果研究时滞系统的Ｌｉａｐｕｎｏｖ稳定性．最后示例说明本文主要结果．     

考虑间隙的液压挖掘机机臂动力学研究

由于装配制造公差、磨损等情况,挖掘机的铰接处存有间隙,因间隙产生的碰撞力与液压缸相互作用,会影响到液压挖掘机的动力特性。为了获得间隙对挖掘机机臂动力学响应的影响,本文利用拉格朗日法建立挖掘机使用液压锤时,含有五个自由度的机臂模型,以液压锤的冲击力作为输入,将液压缸顶端间隙、液压锤旋转铰接间隙考虑进挖掘机的理想动力学模型进行研究。最后将理想模型与含间隙模型动力学响应求解结果进行对比分析,结果表明,间隙变大会导致液压缸活塞杆的振动加大、碰撞力加大,同时会使小臂与液压锤的铰接间隙副的轴销轨迹偏向一边。因此,考虑间隙的液压挖掘机动力学模型比传统动力学模型能够获得更详细的动力学响应变化规律,更加符合工程实际。     

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”．     

索-梁组合结构主共振响应的时滞反馈控制

基于时滞加速度反馈控制策略对索-梁组合结构进行振动控制。根据Hamilton原理推导了索-梁组合结构非线性振动控制方程,运用多尺度法得到时滞反馈作用下索-梁组合结构主共振的一阶近似解,得出系统响应与控制参数的关系以及响应峰值和临界激励值与时滞参数的表达式。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,可以有效抑制大幅振动。     

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.      

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.     

随机不平顺激励下磁浮车辆轨道梁动力响应

建立了高速常导磁浮交通车辆轨道梁空间耦合模型,探讨了合理的磁浮线路功率谱形 式,利用分离迭代的数值积分方法求解了大规模非线性耦合动力方程. 利用计算结果分析了 随机不平顺对系统动力学指标影响规律,并采用功率谱密度曲线进行了谱分析,得到了高速 磁浮交通车梁耦合系统随机振动的基本规律.     

时滞车辆跟驰模型及其分岔现象

交通流车辆跟驰理论中, 由于生理因素, 造成司机在处理前方车辆变化信息和采取应对措施之间存在时间滞后. 即使是在自动巡航控制系统中, 设备在感知信息、计算所需操作并最终作动车辆这一过程中时滞也不可避免. 因此交通流跟驰理论的数学模型本质上应包含时滞. 时滞的存在对各种交通模式的出现及其相互演化产生怎样的影响? 这是值得我们关注的问题. 本文首先综述了各类时间和空间连续的时滞车辆跟驰模型.其次探究这类模型中存在的分岔现象的研究进展, 并指出目前研究中存在的不足. 最后提出作者的一些看法,运用时滞动力系统理论来深入挖掘富含参数的交通流时滞跟驰模型中隐藏的各种的非线性动力学现象, 这样既可以更好解释真实交通中的各种堵塞模式的形成及其演化机制, 又可以结合交通流参数平面内动力学行为从同步观点给出交通堵塞一种分类. 为交通管理部门的交通控制策略制定提供一定的参考依据, 减缓由于司机反应时滞等因素造成的交通堵塞的发生.     

考虑间隙内流的陶瓷隔热瓦气动载荷分析

陶瓷隔热瓦是高速飞行器热防护系统的重要结构。跨声速飞行过程中,当激波在飞行器表面形成压力突变,在激波压力梯度作用下隔热瓦中会产生严重的间隙内流。瓦与瓦之间的间隙内流、隔热瓦和应变隔离垫中的多孔介质渗流都会对陶瓷隔热瓦的气动载荷产生显著影响。采用纳维-斯托克斯方程和Spalart-Allmaras湍流模型,建立了考虑间隙内流和应变隔离垫渗流的隔热瓦载荷计算模型,对隔热瓦的间隙内流、应变隔离垫渗流和隔热瓦载荷进行了FLUENT数值仿真。计算结果与NASA实验结果的偏差不超过3.3%。在此基础上,研究了应变隔离垫的渗流系数、间隙宽度对隔热瓦载荷的影响规律。计算结果表明:①本文方法考虑间隙流的局部损失,理论精度高于线性蠕流理论,对比本文计算结果和蠕流线性公式结果,压力偏差在间隙流动的拐角处高达10.6%;②随材料Darcy粘性系数增大,应变隔离垫渗流的压力梯度先增加后减小;③如果隔热瓦在波后高压作用下发生位移,使得瓦与瓦之间的间隙宽度改变,则间隙流入口处(高压端)间隙宽度的增加,会导致陶瓷隔热瓦底部受到的气动载荷增大。