时滞耦合质量摆动力吸振器减振系统的等峰优化理论与实验

摆式调谐质量阻尼器因其便于安装、维修、更换,且经济实用,广泛应用于结构减振.它通过将摆的自振频率调谐到接近主系统的控制频率,使摆产生与主系统相反的振动,从而抑制或消除主系统的振动.本文通过对主系统无阻尼的被动减振系统和主系统有阻尼的时滞反馈主动减振系统进行多目标优化设计,实现了对主系统幅频响应曲线的等峰控制和共振峰与反共振峰差值的有效控制.首先,建立了时滞耦合质量摆动力吸振器减振系统的力学模型和振动微分方程,通过对主系统无阻尼的被动减振系统进行等峰优化,获得了减振系统的最优频率比和质量摆的最优阻尼比.对于主系统存在阻尼的被动减振系统,在该优化参数下主系统的幅频响应曲线等峰优化失效.其次,对于主系统存在阻尼的时滞反馈优化控制系统,采用CTCR方法得到了反馈增益系数和时滞的稳定区域.在保证系统稳定的前提下,通过调节反馈增益系数和时滞量两个控制参数能够实现对主系统幅频响应曲线的等峰控制.再次,对共振点处主系统振幅放大因子时滞敏感度和反馈增益系数敏感度进行分析,表明共振点幅值对反馈增益系数比对时滞更为敏感.最后,通过实验分别在频域和时域内对理论结果进行了验证.研究表明,通过采用时滞反馈对摆式调...     

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.     

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.      

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.      

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.     

旋转SMA纤维混杂复合材料薄壁梁的自由振动

研究具有SMA主动纤维的旋转复合材料单闭室薄壁截面梁的耦合自由振动问题.基于Hamilton原理并结合SMA纤维复合材料薄壁梁的二维截面内力(矩)与位移(转角)关系方程,导出旋转单闭室截面薄壁复合材料梁的1D耦合自由振动分析模型.该模型还考虑薄壁梁调矩角和预锥角的作用.采用Galerkin法求解振动模型,获得梁耦合振动固有频率的近似解.将本文建立的模型与计算方法,应用在周向均匀刚度配置(CUS)构型和周向反对称刚度配置(CAS)两种典型的复合材料薄壁的振动分析,获得了挥舞-摆振耦合、解耦扭转振动以及挥舞-摆振-扭转耦合振动固有频率近似解.通过数值计算揭示了SMA纤维含量与初始应变、铺层角、旋转速度、调矩角以及预锥角对各种耦合形式的振动固有频率的影响规律.     

含分数阶Bingham模型的阻尼减振系统时滞半主动控制

针对基于磁流变液阻尼器的半主动控制系统中存在的时滞问题, 采用了一种将可控的时滞变量引入半主动控制切换条件的控制策略, 研究了考虑时滞的天棚阻尼控制切换条件对半主动阻尼减振系统的影响, 分析了含有分数阶Bingham模型的线性刚度系统在基础激励下的振动特性. 利用平均法得到了系统在含时滞半主动控制策略下主共振响应的近似解析解, 根据Lyapunov理论分析了系统的稳定性. 通过数值解验证了近似解析解的准确性, 二者具有较好的一致性. 利用近似解析解分析了固定激励频率下时滞对系统幅频响应特性的影响, 以及主共振峰值响应和共振频率随时滞变化的特性规律. 结果表明, 含时滞的半主动控制系统存在一个小时滞区间, 使得系统的振幅在主共振峰对应的频率附近低于不考虑时滞时系统的振幅, 且存在最优时滞使得系统的振幅大幅度降低; 而大时滞的引入会加剧系统的振动, 导致系统的颤振. 确定了基于分数阶Bingham模型的线性刚度系统在天棚阻尼半主动控制下的时滞选取原则, 为振动系统半主动阻尼控制中的时滞选取提供了参考.      

结构主动开闭环多重调谐质量阻尼器（AMTMD）新控制策略

提出了一种新控制策略——主动开闭环多重调谐质量阻尼器(AMTMD)。AMTMD控制系统频率呈线性分布。AMTMD中的MTMD保持相同的刚度和阻尼系数但质量变化。基于TMD的工作原理定义了AMTMD的主动控制力构成即保持相同的位移和速度反馈增益系数但变化结构和地震加速度反馈增益系数。基于结构的广义振型模型，导出了设置AMTMD时结构的动力放大系数(DMF)，于是优化准则可定义为：Min．Min．Max．DMF．通过最优搜寻，研究了反映AMTMD有效性和鲁棒性的参数。这些参数包括：频率间隔、平均阻尼比、调谐频率比、总数、质量比和标准化加速度反馈增益系数。为了比较，多重调谐质量阻尼器(MTMD)和主动开闭环调谐质量阻尼器(ATMD)也被考虑。     

柔性结构作动器／传感器优化配置研究

从有效衰减振动能量的角度出发,在对位配置作动器／传感器的情况下,通过最小化系统总储能积分,对柔性结构振动主动控制中的作动器／传感器位置及反馈增益进行了优化。在优化方法上,作者提出了一种快速收敛的遗传算法,即“适应度缩放” 加引入“有偏外来移民”的遗传算法。实验结果表明了该方法的有效性和控制系统的良好减振效果。     

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。      

含时滞反馈的楔式制动系统动力学分析

考虑含时滞反馈的影响,建立楔式制动系统动力学模型,运用多尺度方法对黏滑界面附近区域进行受迫主共振求解,分析时滞量、楔角与系统刚度对系统幅频响应的影响,应用Routh-Hurwitz判据分析系统稳定性的影响因素。基于解析解的分析表明:稳态幅值和稳定性边界都随时滞量发生周期性变化,周期内较大的时滞量引起鞍结分岔,并发展至不稳定多解;楔角和系统刚度增加引起主共振振幅增大,并扩大了不稳定区域。     

van der Pol-Duffing时滞系统的稳定性和Hopf分岔

研究了具有三次项的ｖａｎ ｄｅｒ Ｐｏｌ－Ｄｕｆｆｉｎｇ非线性时滞系统的稳定性和Ｈｏｐｆ分岔,分析了当线性化特征方程随两参数（时滞量和增益系数）变化时特征根的分布;证明了Ｈｏｐｆ分岔的存在性,通过构造中心流形并且使用范式方法给出的Ｈｏｐｆ分岔的方向以及周期解的稳定性,讨论时滞量对该系统的Ｈｏｐｆ分岔的影响。     

非对称混杂边界轴向运动Timoshenko梁橫向振动分析

研究两端带有扭转弹簧且弹簧系数均可任意变化的非对称混杂边界下的轴向运动Timoshenko梁的横向振动.利用非对称混杂边界条件推导对应任意弹簧系数的系统超越方程以及特征函数.运用数值方法计算系统的固有频率及其相应的模态函数,并研究确定梁的刚度、轴向速度以及边界处扭转弹簧的刚度的影响.通过数值算例,比较7imoshenko梁、瑞利梁、剪切梁和欧拉梁的固有频率随轴向速度的变化,分析转动惯量和剪切变形的影响.     

时滞状态正反馈在振动控制中的新特征

控制理论中广泛采用负反馈,而正反馈的应用不多, 一个重要原因是正反馈将系统的变化放大而使系统的稳定性变差. 如果反馈环节具有时滞, 那么正反馈未必使系统稳定性变差. 本文以线性振动系统为例, 采用稳定性切换方法和利用确定时滞系统稳定性的最大实部特征根, 详细研究了时滞状态正反馈在镇定系统不稳定运动和改善系统稳定性方面的作用. 我们发现,时滞位移正反馈明显优于时滞位移负反馈, 表现为: (1). 正反馈控制可以用较小的时滞去镇定不稳定运动和改善系统稳定性; (2). 正反馈控制可容许的时滞范围很大, 而负反馈控制的可容许时滞范围很小; (3). 正反馈对应的闭环系统的最大实部特征根的实部的极小值可显著小于负反馈对应的闭环系统的最大实部特征根的实部的极小值, 因而在相同的初始条件下, 正反馈作用下的闭环系统比之负反馈作用下的闭环系统可以更快地稳定到平衡点. 我们还发现, 对时滞速度反馈与时滞加速度反馈来说, 负反馈优于正反馈; 而对相同的反馈增益, 时滞位移正反馈优于时滞速度正反馈和时滞加速度正反馈. 关键字镇定,振动控制,时滞正反馈, 稳定性切换, 特征根      

ew Features of Positive Time-Delayed Feedbacks in Vibration Control

控制理论中广泛采用负反馈,而正反馈的应用不多, 一个重要原因是正反馈将系统的变化放大而使系统的稳定性变差. 如果反馈环节具有时滞, 那么正反馈未必使系统稳定性变差. 本文以线性振动系统为例, 采用稳定性切换方法和利用确定时滞系统稳定性的最大实部特征根, 详细研究了时滞状态正反馈在镇定系统不稳定运动和改善系统稳定性方面的作用. 我们发现,时滞位移正反馈明显优于时滞位移负反馈, 表现为: (1). 正反馈控制可以用较小的时滞去镇定不稳定运动和改善系统稳定性; (2). 正反馈控制可容许的时滞范围很大, 而负反馈控制的可容许时滞范围很小; (3). 正反馈对应的闭环系统的最大实部特征根的实部的极小值可显著小于负反馈对应的闭环系统的最大实部特征根的实部的极小值, 因而在相同的初始条件下, 正反馈作用下的闭环系统比之负反馈作用下的闭环系统可以更快地稳定到平衡点. 我们还发现, 对时滞速度反馈与时滞加速度反馈来说, 负反馈优于正反馈; 而对相同的反馈增益, 时滞位移正反馈优于时滞速度正反馈和时滞加速度正反馈. 关键字镇定,振动控制,时滞正反馈, 稳定性切换, 特征根     

地震作用下结构的AMTMD主动控制策略

提出了一种新的控制策略--主动多重调谐质量阻尼器(AMTMD).AMTMD控制系统频率呈线性分布.AMTMD保持相同的刚度和阻尼但质量变化.AMTMD的主动控制力采用Roorda(1975)提出的生成模式.基于结构的广义振型模型,导出了设置AMTMD时结构的动力放大系数(DMF).于是AMTMD优化准则选择为结构最大动力放大系数的最小值的最小化.分别使用位移、速度和加速度传感器,通过最优搜寻,研究了反映AMTMD有效性和鲁棒性的参数.这些参数包括:频率间隔、平均阻尼比、调谐频率比、Min.Min.Max.DMF、标准化反馈增益系数和环增益系数.为比较,同时考虑了多重调谐质量阻尼器和主动调谐质量阻尼器.而且,数值结果表明:AMTMD比MTMD具有更高的有效性和鲁棒性且比ATMD也有更高的有效性.     

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.      

时滞非线性悬架系统的混沌动力学特性研究

针对时滞减振控制的非线性悬架系统,建立其二自由度系统的动力学方程。首先,对动力系统进行了数值模拟,通过不同控制参数下系统的动力学行为的分岔图、相轨迹、庞加莱截面、功率谱图来研究时滞非线性悬架系统的混沌动力学行为。研究表明,基于系统参数和外在激励,选择适当的时滞控制参数,可避免系统在运行过程中出现混沌现象,改善系统的运行品质。然后,以主系统幅值均方根为目标函数,对系统进行优化得出减振效果最优时的时滞和反馈增益系数,并与无时滞时非线性悬架系统的主振幅响应进行比较。结果表明,时滞对非线性悬架系统减振和系统品质的改善是能够同时实现的。最后,研究了时滞控制参数变化对系统动力学行为的影响,研究发现,同一系统在不同时滞参数下其分岔形式以及通往混沌的形式具有着多样性,会出现倍周期分岔、Hopf分岔、阵发性分岔以及它们各自通往混沌的不同演化模式,这为实现悬架参数的优化控制提供了理论依据。     

振动轮式微机械陀螺仪模态控制方法研究

振动轮式微机械陀螺仪存在两个主要的工作模态 :驱动模态和敏感模态。本文研究了敏感模态反馈控制环节对系统工作性能的影响。提出刚度、阻尼组合反馈的模态控制思想 ,探讨了利用刚度反馈控制敏感模态的固有谐振频率 ,利用阻尼反馈控制系统检测范围的多参量控制方法 ;并对敏感模态中刚度反馈校正环节和阻尼反馈的校正环节进行了详细的分析 ,建立了系统对两个校正环节在增益和相位上的要求。