智能桁架结构最速自抗扰振动控制研究

研究新型实用的非线性自抗扰控制技术,在大型空间智能桁架结构主动振动控制中的应用.自抗扰控制技术的主要特性是采用扩张状态观测器对系统建模、未建模动态和外扰进行实时估计,并在控制信号中补偿掉,实现非线性不确定对象的动态补偿线性化.首先,基于动态补偿线性化的思想,对多变量耦合的非线性智能桁架结构的数学模型进行解耦;然后,采用扩张状态观测器和离散最速控制综合函数提出了一种新颖的最速自抗扰振动控制器.最后,对空间102杆压电智能桁架结构进行了最速自抗扰振动控制仿真研究.结果表明:本文提出的最速自抗扰振动控制器较好地解决了振动控制的准确性和快速性之间的矛盾,可有效地用于大型空间智能桁架结构的主动振动控制.     

基于菱形压电作动器和内模控制策略的微振动隔振研究

提出了一种以菱形压电作动器为隔振元件,并结合内模控制策略的微振动主动隔振方法。首先设计并分析了菱形压电作动器,分析其力电耦合特性;以单自由度主动隔振系统为例,建立了隔振系统的动力学模型。在此基础上,设计了基于内模控制的主动隔振策略,进行了含有模型误差、迟滞等多工况的数值仿真分析。仿真结果表明,隔振位移传递率最大可达94%。菱形压电作动器结合内模控制策略的振动主动控制技术具有较好的隔振能力,为进一步微振动平台的主动隔振设计与实验研究奠定了基础。     

车载系统主被动联合振动控制研究

针对车载系统行进过程中产生的结构振动,提出被动隔振和主动减振相结合的方法对结构弹性振动和刚体振动进行抑制．一方面,针对结构弹性振动,在车载结构和车体之间安装隔振装置,选择合适的隔振器参数,对车载结构的弹性振动进行隔离．另一方面,结合刚体振动抑制的需求,进一步研究小阻尼隔振器带来的结构低频刚体振动．对隔振器和车载结构形成的新系统采用主动控制方法设计最优控制器,对这一类过驱动控制系统进行主动控制研究．通过主被动控制结合,实现车载结构全频段范围内的振动抑制,能够将系统刚体振动的位移均方根值抑制到无控制时的5%以下．     

气动八作动器隔振平台的主动隔振研究

多自由度隔振平台可以有效地隔离运载器传递到卫星的振动载荷。本文采用气动八作动器隔振平台实现卫星的六自由度隔振。首先应用牛顿欧拉法建立了气动八作动器隔振平台的动力学模型,设计了平台的主动控制律,然后对平台的主、被动隔振特性进行了仿真分析。仿真分析和实验结果显示主动隔振使平台各方向的低频隔振性能均得到改善。     

强噪声下全驱空中作业平台自抗扰反演控制

针对新型空中作业机器人飞行平台存在的强噪声、扰动、参数不确定性以及全驱控制问题，提出了一种基于动态补偿的自抗扰反演控制方法。首先描述了新型空中作业机器人机构设计。其次，建立了基于Carig与递归Newton-Euler方程的空中作业系统运动学与动力学模型。然后，考虑机械臂对飞行平台的扰动影响，建立了飞行平台全驱控制补偿项，并结合自抗扰控制与反演控制技术分别设计了平台位置与姿态控制器。最后，考虑了随机强噪声与扰动、参数不确定性等实际问题，进行了仿真试验。仿真结果表明，在强噪声与扰动条件下对飞行平台的位置与姿态跟踪控制中，采用所提出的算法后比动态补偿（DC）PID算法的跟踪误差降低了37.9%以上，验证了所提出的控制方法具有噪、扰抑制能力，提高了系统控制精度。     

四旋翼无人机模糊自抗扰姿态控制及稳定性分析

针对四旋翼无人机姿态控制问题,设计了一种基于模糊自抗扰控制的四旋翼姿态控制器。分析了四旋翼无人机的动力学模型,给出了基于模糊自抗扰控制算法的姿态控制方案,并设计了对应的模糊自抗扰控制算法的扩张状态观测器和模糊状态误差反馈控制器。通过稳定性分析,得出了扩张状态观测器估计误差是有界的,同时给出了反馈误差稳定的充分条件。仿真结果表明,所设计的模糊自抗扰控制器,同经典自抗扰控制器相比,系统平均超调量减小约75%,降低了扰动造成的输出波动幅值约30%,表明该控制系统提高了系统稳定性和对干扰抑制能力,满足对四旋翼姿态控制要求。     

基于双驱动智能悬臂梁的自校正PID振动控制研究

随着科技不断进步,智能结构的振动控制在航天航空、机械制造、车辆与船舶等领域得到了广泛应用。由于多输入多输出存在多样性和复杂性,严重威胁系统稳定性。为了解决这一问题,针对两输入单输出的双驱动智能悬臂梁系统提出一种自适应控制策略,首先基于压电线性本构方程,应用假设模态方法建立双驱动智能悬臂梁的力学模型,得到了基于闭环控制系统的状态方程,同时利用递推最小二乘法在线辨识系统参数设计比例积分微分(proportional–integral–derivative, PID)控制器实现自校正PID控制。通过数值仿真对比在有无PID控制下两输入单输出双驱动智能悬臂梁系统的振动情况,分析自校正PID控制的控制效果。通过实验验证自校正PID控制对双输入单输出的双驱动智能悬臂梁系统的控制效果;再设置两组不同的单输入单输出自校正PID控制实验作对比。结果表明:自校正PID控制方法可以较为有效地抑制智能悬臂梁的自由振动,相比单输入单输出的两组,两输入单输出自校正PID控制的效果更为明显和有效。     

惯性平台稳定回路单神经元自校正PID控制

为了与新型高精度惯性平台相匹配,解决传统PID控制的稳定回路抗干扰性能不高的问题,利用神经网络具有自学习、自组织、联想记忆和并行处理等功能以及对于复杂系统控制可以达到满意效果的优势,设计了单神经元自校正PID控制器。这种控制器不但结构简单,而且适应环境变化,有较强的鲁棒性。设计中分别采用了无监督和有监督的Hebb学习算法以及改进的Hebb学习算法对系统进行控制。MATLAB仿真结果表明,单神经元自校正PID控制器在很多指标上均优于传统PID控制器,特别是其超调量,动态性能以及对干扰的抑制能力,是一种应用在实际平台系统中理想的控制器。     

基于静电悬浮的零刚度隔振减振控制方法

基于静电悬浮的双级无拖曳天基超静平台是一种新型的隔振减振平台,但由于静电负刚度的耦合效应,会残留微振动传递路径,从而难以达到理想的隔振效果。首先,建立了基于静电悬浮的双级无拖曳天基超静平台的系统模型,分析了静电负刚度的产生机制。然后,提出基于反馈电压反函数调制、非对称调制的两种绝对零刚度构造方法,并将其与基于刚度并联的准零刚度构造方法进行了比较。接着,给出了基于反馈电压调制的绝对零刚度隔振控制与主动减振控制的一体化兼容设计流程。最后,基于Matlab/Simulink建立了系统仿真模型,对所提方法进行了隔振性能和鲁棒性方面的仿真实验。实验结果表明,基于反馈电压调制的绝对零刚度隔振方法能完全隔绝卫星微振动对载荷平台的扰动;在系统参数误差达10%的条件下,所提方法仍可获得比无刚度补偿系统优1～2个量级的隔振性能。     

振动主动控制系统降级工作模式研究

振动主动控制系统是通过获取振动传感器信号、驱动作动器施加作动力以降低平台振动水平的机电综合系统。对于振动环境恶劣的装备平台,振动主动控制系统工作的稳定性直接影响平台使用体验。当系统内硬件数量较多时,系统对部件可靠度敏感度较高。为了提高系统功能可靠性,保证装备平台安全,在不改变硬件的前提下,本研究从优化控制策略出发,提出了两种系统降级模式,并对其进行可靠性分析;在降级模式的基础上,基于切换系统方法,针对硬件故障数量的不同设计不同等级的降级模式;针对不同降级模式下系统控制参数,对作动器进行最优组合设计,得到在不同降级模式下系统减振控制的最优高维度模型矩阵;最后在实验室内,基于振动主动控制系统实验环境,针对作动单元降级模式进行了实验验证,通过模拟部件故障状态,验证系统降级工作策略与控制模型优选设计的正确性,提高了系统功能可靠性。     

基于自适应动态规划的主动质量阻尼系统振动控制

主动质量阻尼(AMD)系统是一种主动减振控制技术,其核心在于控制策略的设计。针对该系统力学模型中参数不确定性和外部载荷随机性问题,本文采用数据驱动的自适应动态规划(ADP)算法,设计基于ADP的鲁棒控制器。构建评价神经网络和执行神经网络,分别逼近代价函数和控制策略,在系统模型参数完全未知的情况下,通过采集系统振动响应数据进行双神经网络权值迭代,可以得到近似最优控制策略。通过在一个受基础激励的模拟结构系统上安装AMD系统进行仿真分析,结果表明,基于数据驱动的ADP算法,对模型参数未知的受控结构具有良好的振动控制效果。     

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．     

SELF-CORRECTED PID VIBRATION CONTROL BASED ON DUAL-FREEDOM DUAL-DRIVE INTELLIGENT CANTILEVER BEAM 1)

随着科技不断进步,智能结构的振动控制在航天航空、机械制造、车辆与船舶等领域得到了广泛应用。由于多输入多输出存在多样性和复杂性,严重威胁系统稳定性。为了解决这一问题,针对两输入单输出的双驱动智能悬臂梁系统提出一种自适应控制策略,首先基于压电线性本构方程,应用假设模态方法建立双驱动智能悬臂梁的力学模型,得到了基于闭环控制系统的状态方程,同时利用递推最小二乘法在线辨识系统参数设计比例积分微分(proportional--integral--derivative, PID)控制器实现自校正PID控制。通过数值仿真对比在有无PID 控制下两输入单输出双驱动智能悬臂梁系统的振动情况,分析自校正PID 控制的控制效果。通过实验验证自校正PID 控制对双输入单输出的双驱动智能悬臂梁系统的控制效果;再设置两组不同的单输入单输出自校正PID控制实验作对比。结果表明：自校正PID 控制方法可以较为有效地抑制智能悬臂梁的自由振动,相比单输入单输出的两组,两输入单输出自校正PID控制的效果更为明显和有效。     

可重复使用运载器大姿态机动自抗扰控制

针对可重复使用运载器大俯仰角或偏航角转弯机动而产生的姿态角奇异的控制问题,提出了基于四元数的自抗扰控制方法。通过两级跟踪微分器从期望四元数中逐步得到三通道解耦的角加速度信号,然后利用扩张状态观测器观测模型中的不确定项,最终采用动态逆得到解耦的三通道发动机等效摆角或RCS(Reaction Control System)等控制信号,并设计了数字滤波器对弹性振动与液体晃动信号进行滤波处理。考虑到系统模型具有非线性、不确定性、11阶弹性振动、一阶液体晃动、风干扰和气动偏差等多种外部扰动条件,对可重复使用运载器从主动段到再入飞行段进行了非线性六自由度仿真分析。仿真结果表明,基于四元数的自抗扰姿态控制器具有快速、平稳、超调量小、抗干扰能力强、无系统抖振且控制参数较少的特点。     

基于改进自抗扰算法的直升机锁尾控制系统设计

为了提升小型无人直升机的航向运动的动态特性与工况适应性,基于自抗扰控制方法(ADRC)提出了一种适用于小型无人直升机的锁尾控制器。通过实时递推遗忘因子最小二乘估计器对直升机航向轴的执行放大系数进行了参数辨识。根据辨识结果,构造了以直升机主旋翼转速作为自变量的执行放大系数解析表达式,用于在线计算不同工况下的执行放大系数。该表达式作为对标准ADRC控制结构的补充与改进,可提高ADRC控制器的工况适应性。以一550级别电动直升机为试验机型进行了试验验证。改进的ADRC控制器相比传统PID控制器,阶跃响应过渡时间缩短约40%,且能在更宽的主旋翼转速范围内保持稳定。试验结果表明改进的ADRC控制器在动态性能和工况适应性等方面较传统PID控制器和标准ADRC控制器更具优势。     

铰接塔海洋平台的振动控制

采用调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)设计了铰接塔海洋平台的振动主动控制方法.首先给出了考虑重力梯度、水压力差、波浪力等外部载荷作用的系统动力学方程,并采用有限差分法对方程进行了离散,而后采用最优控制方法设计TMD的主动控制,并给出了TMD参数的设计方法.仿真结果表明,主动TMD的控制效果优于被动TMD,而且主动控制时的TMD位移量明显小于被动控制方法.     

基于H∞控制方法的AMD Benchmark主动控制结构的试验研究

针对结构主动控制系统中存在的模型不确定性问题,进行了H∞主动控制策略及实验研究,目的是使控制系统具有良好的鲁棒性.文中首先建立了AMD (active mass damper) Benchmark主动控制结构的试验系统,然后介绍了主动控制试验系统的工作原理,随后提出了基于H∞控制理论的主动控制方法,详细阐述了控制器中有关H∞控制权函数选取的过程以及控制器设计过程,最后通过试验验证了H∞控制器的有效性和鲁棒性.     

EXPERIMENTAL ANALYSIS OF ACTIVE STEERING HARDWARE-IN-LOOP BASED ON SLIDING MODE CONTROL 1)

为了提高重型车辆在转向过程中的稳定性和安全性,本文提出了一种基于滑模变结构控制的主动前轮转向控制策略,基于这种策略设计了主动转向控制器,建立了三轴商用车的二自由度车辆动力学简化模型及整车模型,利用TruckSim--Simulink建立联合仿真平台以及进行硬件在环实验。在不同工况、不同车速下,分别对有无主动转向控制器的车辆进行了操纵稳定性分析,并在此基础上进行了滑模变结构控制的主动转向影响因素敏感性分析。实验结果表明,这种控制器策略在不同工况下具有较强的适应性。     

分布式驱动电动汽车主动悬架T–S模糊控制研究

分布式驱动电动汽车,由于簧下质量增大,导致车轮振动加剧,进而影响车辆平顺性及行驶安全性。为有效抑制分布式驱动电动汽车垂向振动恶化,设计了一种主动悬架T–S模糊控制器,构建了分布式驱动电动汽车1/4悬架动力学模型,基于Matlab/Simulink在B级随机路面及变路面工况下进行动力学仿真,考虑了控制器在车辆参数不确定时的自适应性,探究了T–S模糊控制器在车辆变参数条件下的控制效果,并与PID控制的主动悬架及传统的被动悬架进行比较,通过硬件在环实验验证了控制效果。结果表明,所提出的分布式驱动电动汽车主动悬架T–S模糊控制策略可有效提升车辆的平顺性指标,相对于PID控制及被动悬架,T–S模糊控制也具有更好的多工况自适应能力。     

一种基于SMR主动隔振模型的功率流控制方法

用功率流指标描述主动隔振系统中能量的传输，以传输到接受性的功率流最小为最优化控制目标，推导主动隔振系统中功率流传递的最优控制表达式，提出一种基于SMR主动隔震模型的主动功率流的最优化控制策略，对比分析了被动和主动模型下总功率流的传递特性以及主动控制时传递到基础的各功率流分量的分布特征。针对工程实际中的柔性安装问题，对四边筒支矩形薄板扩动隔振进行了研究。