磁悬浮控制力矩陀螺的高速转子模态分析及实验研究

采用通用有限元软件包ANSYS7．0，建立了控制力矩陀螺结构的有限元模型，对磁悬浮飞轮转子组件以及陀螺整体组合结构进行了模态分析。通过与实验结果对比，验证了模型的合理性和精确性，指出了盘轴相对弯曲模态是系统工作带宽内的主要模态，也是影响飞轮转子系统稳定性的主要原因之一，必须进行有效陷波处理。分析结果为电磁轴承控制器参数的选取以及陀螺框架的设计提供了依据；采用ANSYS参数设计语言APDL建立的有限元模型也为下一步的优化设计奠定了基础。     

边界元的模态综合技术

1 前言基于质量矩阵的边界元自由振动分析首先由Nardini D.和Brebbia C.A.于1983年给出.以后Ahmad S.和Banerjee P.K.于1986年做了类似的工作.边界元方法由于仅需要处理结构的边界信息,较之区域性方法有明显的优点,可以得到高的计算效率和精度.但由于边界元方法导出的系统方程,其系数矩阵为非对称的满阵,方程阶数较高时,求解费用大.为克服这一困难,可采用有限元中较为成熟的模态综合技术.为了使边界元动力方程解耦,引入了左特征向量和右特征向量,并在此基础上导出了     

硅微机械陀螺仪频率调谐控制系统设计

硅微机械陀螺结构的驱动和检测模态谐振频率差(Δf)是决定其结构机械灵敏度的主要因素,当Δf≈0时,陀螺结构处于频率调谐状态,此时陀螺的机械灵敏度达到最大峰值且噪声和分辨率等指标可得到有效提高。提出了一种基于正交信号和驱动位移相位差的鉴相控制方法,以判断陀螺结构是否处于频率调谐状态,并通过调节检测模态刚度达到频率调谐目的。首先,介绍了陀螺结构检测模态谐振频率调节的原理,并结合结构参数量化分析了频率调节范围。其次,分析了鉴相控制方法,并在其基础上设计了频率调谐控制系统,建立了整机系统模型,并对其进行了稳定性分析。最后,结合整机模型进行了仿真,采用所提出的方法可实现(Δf)的快速、稳定、自主调节,系统的标度因数指标调谐前后分别为13.1 m V/(°/s)和220.6 m V/(°/s),大大提高了结构的机械灵敏度,验证了设计方案。     

环形陀螺敏感结构的平面振动分析

在薄壁圆环振动特性基础上,研究了振动环式微机械陀螺的支撑梁对环的振动模态及自然频率的影响。对一种外支撑式环形微机械陀螺敏感结构进行了ANSYS模态仿真,得到工作振动模态的变形量。以薄壁环2节点变形模态函数为参考函数对仿真变形量用最小二乘法拟合,拟合误差在4.5%以内,各函数系数一致性误差小于1.5%。基于支撑梁对环结构的模态函数影响较小的条件,用能量法和速度积分法得到结构的应变能和动能函数,进一步得到具有支撑梁环结构自然频率的近似解。选取4组支撑梁尺寸,其近似解与仿真结果的相对误差在±3%以内。     

求解转子—轴承系统动力特性的实模态与复模态结合算法

本文基于固定界面法推导了一种适于转子——轴承系统动力分析的实模态与复模态结合算法,并进行了理论分析与计算、结果表明,本文所推导的模态综合法在计算过程中保留了陀螺力矩的信息,同时计及了基础及滑动轴承油膜刚度、阻尼的影响,精度高,耗时少,具有工程实用价值。     

复模态理论在近海平台中的应用

运用复模态理论对考虑海洋平台结构与流体相互作用而引起的非经典阻尼问题进行了理论分析。水中耦合阻尼矩阵运用复模态解法，可以不必近似对角化。推导了随机波浪荷载作用下结构各种反应的能量谱密度函数及结构反应的统计特性，得到了结构反应的均方差和峰值的表达式。针对某典型平台在随机波浪荷载作用下动力反应用复模态法进行了计算并与运用实模态方法多重叠代方法的结果进行了比较。     

单自由度"加层"减震结构地震作用取值的复模态法

运用复模态方法,以我国现行设计反应谱为基础,对单自由度TMD和“加层”减震结构地震响应及地震作用取值问题进行了系统研究。首先用复模态法将非经典阻尼非对称结构运动方程解耦,然后运用随机振动理论获得结构的动力响应解析式,并建立将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系与反应谱的对应关系,确定结构动力响应表达式中各参数的取值,建立结构基于反应谱的设计响应及其等效静态地震作用的设计方法,并给出了算例,从而建立了非经典阻尼非对称结构基于反应谱的地震作用取值的一整套方法。     

高性能对称解耦结构的线振动陀螺

为了最大限度克服微机电陀螺的两个模态的相互耦合作用,提高微机电陀螺的综合性能指标,采用国内现有MEMS标准工艺方法,设计和制作了一种高性能单晶硅对称解耦结构的线振动陀螺。采用对称结构形式和保证陀螺驱动和检测模态振型都是弯曲振动模式,易于模态匹配;由于采用驱动模态和检测模态结构解耦方式,从微结构设计上大大降低了正交耦合误差影响,使陀螺具有输出零位小、零偏稳定性好的优点。测试结果表明：初次加工的样机,在大气中驱动和检测模态固有频率分别在2430Hz和2580Hz左右,在150Hz带宽内具有0.1～0.5（°）/s的分辨率;随着加工精度的提高和检测电路的改进,该陀螺在大气中15Hz带宽内实现0.008（°）/s的分辨率,在真空状态下,这种高性能单晶硅对称解耦结构的线振动陀螺性能会有进一步的提高。     

大跨屋盖结构风振响应主要参振模态确定方法研究

合理选取主要参振模态是保证大跨屋盖结构风振响应计算精度的关键问题。本文以模态空间分布与风荷载空间分布相关性强弱作为选取主要参振模态的依据,考虑到屋盖结构表面风荷载分布的不确定性,提出了通过低阶主要贡献模态间接寻找风荷载强相关高阶模态的思想,首先实现对高阶参振模态数量的缩减。在此基础上,结合低阶参振模态,通过对模态响应方差矩阵的简化处理,构造了其等效矩阵,根据等效矩阵中对角线元素定义了模态参与系数,通过该系数能够方便的实现对主要参振模态的选取。最后,通过国家体育场屋盖主结构的风振响应分析对所提出方法的有效性进行了验证。     

自适应桁架形状控制中主动杆多目标最优配置

导出自适应桁架结构静态形状控制方程，这些方程在线弹性范围内适用；一般主动杆件数远小于结构杆件数目，且主动杆件的配置问题取决于控制能量和杆件强度等因素，因此基于最短行程和最小导出内力指标和模态退火组合优化算法进行了主动杆件的多目标最优配置；通过算例分析验证了本文分析方法的可行性和有效性。     

振动控制作动器的数目和位置优化设计

提出一种确定作动器的数目和优化设计作动器位置的方法。以独立模态最优控制方法为基础,将模态控制力和作动器作动力处理为随机变量,建立了模态控制力能量的自相关矩阵和作动器作动力能量的自相关矩阵。进一步通过作动力能量的自相关阵包含的能量确定了作动器的数目,在此基础上,建立了基于控制系统作动力消耗能量最小,优化设计控制系统的作动器最优位置。通过数值算例证明了该方法的有效性。     

Failure-tolerant control for small agile satellites using single-gimbal control moment gyros and magnetic torquers

This paper focuses on the attitude control problem of small agile satellites using single-gimbal control moment gyros(CMG) and magnetic torquers(MTQ).CMGs are regarded as effective torque generators for agile satellites because of their torque amplification capability.However,they are vulnerable to failure due to their complex inner mechanism.In this paper,different failure cases of CMGs are analyzed.A flexible failure-tolerant control strategy is developed by automatically redistributing the required control torque among the operating CMGs and MTQs,with a variable limiter to accommodate the actuator dynamics changes introduced by CMG failures.The performances of maneuvers about different directions under different failure cases are also discussed and examined.Numerical simulations demonstrate that the proposed strategy maintains certain agility in the cases of one or two CMGs failing.Moreover,a survival strategy with only one CMG left is also verified.Both sun-pointing stabilization and earth-pointing stabilization can be achieved in this case,which fulfill some basic mission requirements.     

一种逆优化设计振动控制作动器的数目和位置的方法

在建立了悬臂梁上粘贴压电陶瓷片实现振动控制的动力学方程的基础上，研究了一种逆优化设计作动器／传感器的数目和位置的方法；用压电陶瓷作为自传感器作动器，以悬臂梁的振动控制为研究对象，要求振动控制系统具有一定的模态阻尼比，并以作动器控制力最小为目标函数，优化设计作动器／传感器的数目和位置。最后通过数值算例证明了该方法的有效性。     

结构健康监测系统中传感器优化布置组合算法

在对结构健康监测中的传感器优化布置方法进行调研和总结的基础上,针对薄板、壳结构开展传感器优化布置的研究.提出了一种有效的传感器优化布置组合算法,由模态动能法、模态保证准则、遗传算法组合而成.该方法所得的传感器位置主要位于动态响应比较大区域,有利于提高信噪比;同时能够有效地保证模态振型的独立性,可以较完整地获得结构模态信息.针对这种组合算法的有效性采用简易机翼模型从数值计算和实验两方面进行了验证.     

作动器/传感器优化配置的研究进展

给出了作动器／传感器优化配置问题的数学描述,综述了作动器／传感器优化配置方法的发展现状．阐述了振动控制和模态试验中作动器／传感器优化配置的关系．并给出需要进一步研究的几个问题      

基于状态观测器的带分布参数体系地震响应控制

针对带分布参数体系地震响应控制问题,建立带分布参数体系的运动控制方程,推导出应用于带分布参数体系的序列最优模态控制算法。根据序列最优模态控制算法振动控制时对结构全状态反馈的需要,提出了针对序列最优模态控制算法的全维状态观测器,形成基于全维状态观测器的序列最优模态控制算法,然后通过测量容易测量的结构地震响应,由全维状态观...     

Active control for seismic response reduction using modal-fuzzy approach

An active modal-fuzzy control method using hydraulic actuators is presented for seismic response reduction. In the proposed control system, a new fuzzy controller designed in the modal space produces the desired active control force. This type controller has all advantages of the fuzzy control algorithm and modal approach. Since it is very difficult to select input variables used in fuzzy controller among numerous state variables in the active fuzzy control system, the presented algorithm adopts the modal control algorithm to be able to consider information of all state variables in civil structures that are usually dominated by first few modes. In other words, all information of the whole structure can be considered in the control algorithm evaluated to reduce seismic responses and it can be efficient for civil structures especially. In addition, the presented algorithm is expected to magnify utility and performance caused by efficiency that the fuzzy algorithm can handle complex model more easily. An active modal-fuzzy control scheme is applied together with a Kalman filter and a low-pass filter to be applicable to real civil structures. A Kalman filter is considered to estimate modal states and a low-pass filter was used to eliminate spillover problem. The results of the numerical simulations for a wide amplitude range of loading conditions and for historic earthquake show that the proposed active modal-fuzzy control system can be beneficial in reducing seismic responses of civil structures.     

分布振子复合板的模态阻尼及多点激励下阻尼减振相关性

分布阻尼振子可拓宽结构减振频带,因此可将振子分布于板中以形成复合板（简称“分布振子复合板”）,进而实现较宽的减振频带．对于多点支撑处受到宽频非一致激励（例如在不同激励点处的激励频率、幅值与相位有差异）的分布振子复合板,目前还缺乏有效简便的优化控制指标．在作者之前的研究中,针对含分布振子的梁推导了基于模态应变能的模态阻尼计算理论,讨论了模态阻尼与单点激励下梁的减振效果的相关性,并应用于宽频减振设计优化．本文进一步将模态阻尼计算理论推广到分布振子复合板,并将研究从梁的单点激励扩展到板的多点非一致激励下的阻尼减振相关性．首先,在利用模态应变能法推导得到分布振子复合板的模态阻尼计算公式后,从理论上讨论了不同边界条件与模态阶次对计算结果的影响,以及计算理论的适用性．而后,进一步通过有限元参数分析了边界条件、频率比、模态阶次与质量比的影响．最后,通过算例分析了无振子板或分布振子复合板在四个激励点具有多种幅值与相位组合情况下的稳态响应．结果表明,推导的模态阻尼计算公式可正确预测不同边界条件下的模态阻尼,且理论预测的模态阻尼与基板的稳态平均加速度减小率、稳态峰值应变能减小率均有较高的相关性．     

考虑可控性的压电作动器拓扑优化设计

压电作动器可以把电能转换成机械能,在结构主动振动控制中具有应用背景. 由于压电作动器的布局对振动控制效果影响很大,因此作动器布局优化一直是结构控制研究的关键之一. 为了提高压电结构控制能量的利用效率,本文提出了以提高结构可控性为目标的压电作动器的拓扑优化方法. 基于经典层合板理论对压电结构进行了有限元建模,并采用模态叠加法将动力控制方程映射到模态空间,推导了基于控制矩阵奇异值的可控性指标. 优化模型中,选取可控性指标指数形式为目标函数,将设计变量定义为作动器单元的相对密度,并基于人工密度惩罚模型构造了压电系数惩罚模型,给出了基于控制矩阵奇异值的可控性指标关于设计变量的灵敏度分析方法. 优化问题采用基于梯度的数学规划法求解. 数值算例验证了灵敏度分析方法和优化模型的有效性,并讨论了主要因素对优化结果的影响.      

子结构物理参数的一种识别方法

本文基于复模态综合和优化技术,提出一种子结构物理参数识别方程。该方法利用复模态综合在广义坐标下建立物理参数识别方程,然后将物理参数识别化为优化问题求解。给出了一台钻床的子结构物理参数识别实例来说明方法的有效性.