基于Bouc-Wen模型的肌腱-鞘结构非线性位置控制

针对肌腱-鞘结构在传递过程中存在严重摩擦、间隙滞后等非线性因素导致无法精准控制的问题,提出了一种基于BoucWen模型的非线性位置控制器。首先,根据Bouc-Wen模型对肌腱-鞘结构的迟滞进行建模;其次,在输出位置反馈的情况下,提出了一种迟滞观测器以补偿系统的非线性干扰;然后,根据迟滞观测器构建了非线性控制器以实现远端的精确位置控制。同时,还利用Lyapunov稳定性准则分析和证明了肌腱-鞘系统的稳定性和有界收敛性;此外,还考虑了远端外部干扰对系统输出的影响。最后,仿真结果表明所提控制器不仅可以显著改善肌腱-鞘结构的精确控制性能,还能有效抑制外部干扰对系统的影响。与常见的逆前馈控制相比,所提出的控制策略在正弦信号的跟踪误差方面表现出色,其峰值仅为0.011 rad,相较于常规情况下的0.251 rad,显著降低。

基于Bouc-Wen模型的非线性实时混合模拟稳定性分析

实时混合模拟(real-time hybrid simulation,RTHS)中不可避免的作动器响应延迟会影响试验系统稳定性。为研究同时含非线性构件和作动器时滞的复杂试验系统稳定性,文章采用分段线性方法将非线性模型近似简化为多个线性状态的叠加,基于T-S模糊模型理论建立试验系统运动方程,通过Lyapunov稳定理论分析其近似稳定性,获得线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)形式的稳定性判据。数值分析和试验结果验证在外荷载输入下,简化模型高度近似于原模型,表明该近似方法具有良好的计算精度。对于具有刚度软化特性的Bouc-Wen模型,最大刚度决定试验系统稳定性。当试验系统时滞小于临界时滞,处于渐近稳定状态时,结构的动力响应逐步收敛;而当试验系统时滞大于临界时滞处于失稳状态时,系统仍能通过材料屈服耗能保持能量平衡。而在线性系统中,能量则不断积累,导致试验系统响应无限增加,是线性与非线性试验系统的最大差异。

一种自复位摇摆墙的改进Bouc-Wen滞回模型

Bouc-Wen模型是一种可表征结构及构件刚度、强度退化等的多功能非线性光滑滞回模型,可广泛应用于各类结构滞回行为的描述。自复位摇摆墙(Self-centering rocking wall, SCRW)结构由于其优越的抗震和自复位性能,滞回曲线呈“旗帜型”。为了更好地表征这种“旗帜型”滞回特性,在Bouc-Wen模型的基础上,建立一种具有较高精度和较好实用性的改进Bouc-Wen滞回模型。改进的Bouc-Wen模型参数是决定结构滞回性能力学特征的关键。由于该模型参数众多且选择范围不明确,为适应该类模型参数高效识别的需求,通过在MATLAB/Simulink环境中搭建程序框图,实现了对该理论模型控制参数的定性及定量分析,并运用遗传算法对10个SCRW试验结果进行参数识别,对识别结果进行统计分析,建立各参数与滞回曲线关键点的关系式,基于统计结果给出了各参数的建议取值范围;最后,通过SCRW拟静力试验对改进的滞回模型和参数取值范围进行了验证。结果表明:这种单自由度改进的Bouc-Wen滞回模型能较好地反映SCRW在往复荷载作用下无残余变形和强度、刚度退化特点的“旗帜型”滞回特性。所提出的参数取值范围显著提升了改进Bouc-Wen模型的识别精度与效率,识别过程对类似模型的参数识别具有参考价值。

基于Bouc-Wen前馈及模糊PID反馈的三层MFC-PBP并联变形翼大位移控制

三层预压缩压电宏纤维复合材料双晶片(MFC-PBP)并联变形翼存在较强的迟滞非线性,严重影响变形控制精度。为了实现对其的精确变形控制,本文提出了以Bouc-Wen逆模型为前馈补偿,以模糊PID作为反馈控制器的三层MFC-PBP并联变形翼的大位移跟踪控制策略。首先,利用遗传算法对Bouc-Wen模型进行参数识别,构建前馈模型并对变形翼进行开环控制;其次,加入模糊PID反馈控制器,得到可以自适应改变PID参数的闭环控制。变形跟踪控制试验结果表明,BoucWen前馈控制的相对误差(RE)约为13.5%,将Bouc-Wen前馈模型与模糊PID结合后控制的相对误差在4%以内,提高了变形控制精度。

压电执行器改进Bouc-Wen模型及其定位补偿控制研究

针对多数迟滞模型无法描述压电陶瓷执行器(piezoelectric actuator,PEA)的非对称、率相关迟滞非线性,提出一种改进Bouc-Wen(improved Bouc-Wen,IBW)模型并基于提出的IBW模型对其补偿控制进行试验研究。首先,基于传统Bouc-Wen(classical Bouc-Wen,CBW)迟滞模型引入两项非对称项并引入二阶IIR滤波器以精确描述压电陶瓷执行器的迟滞非线性,进一步分析了模型参数值与频率变化规律并修正率相关参数。然后,搭建基于NI CompactRIO测控系统压电陶瓷执行器精密定位试验平台,对提出的IBW模型进行了试验验证并基于IBW模型对其补偿控制进行了试验研究。试验结果表明:IBW模型性能显著优于传统Bouc-Wen模型和增强型Bouc-Wen(enhanced Bouc-Wen,EBW)模型,对于激励频率10~100 Hz多频正弦信号,IBW模型均方根误差相较于CBW模型和EBW模型分别下降了82.07%和62.10%,试验中压电陶瓷执行器实测最大输出位移6.15μm,基于IBW模型所提出复合补偿控制均方根误差为0.039μm,仅为最大输出位移的0.64%,最大跟踪误差仅为0.153μm。若忽略测量噪声,定位误差接近于零,说明所提出的IBW模型及其补偿控制算法有助于实现压电陶瓷执行器的高速、宽频超精密定位及主动振动控制。

基于遗传算法的磁流变阻尼器Bouc-Wen模型参数辨识

在除试验数据外无任何先验知识的条件下如何识别Bouc-Wen模型的参数是一个亟待解决的问题。在对磁流变阻尼器进行力学特性试验的基础上,采用遗传算法对磁流变阻尼器Bouc-Wen模型进行参数辨识,并采用缩小参数取值范围的方法逐渐提高遗传算法的识别精度。通过分析参数值与电流间的特征曲线,采用曲线拟合的方法确定它们之间的函数关系,再利用遗传算法得到具体的函数表达式。最后用不同幅值和频率的激励试验数据对识别结果和拟合结果进行了验证。结果表明:利用缩小取值范围的方法得到的Bouc-Wen模型参数识别结果在全局最优解的附近,拟合结果和辨识出的模型均能满足要求。

磁流变减振器滞回特性的改进Bouc-Wen模型

由于现有的磁流变减振器数学模型不能准确描述其特性,因此对大行程磁流变阻尼器进行了动态特性试验。根据测试结果分析激励位移、激励频率和电流变化时,磁流变减振器的弹性、阻尼、电流饱和等基本特征的动态非线性特性。已有的Bouc-Wen模型在低速下滞回环描述不准确,在高速下缺少滞回特性,并且无法表述单出杆减振器中蓄能器造成阻尼力偏置的现象,因此根据试验结果提出一种改进的Bouc-Wen模型,通过试验数据对改进的Bouc-Wen模型进行参数辨识,并重点分析速度-力特性曲线在低速与高速情况下所形成滞环的斜率及宽度,试验数据验证了改进Bouc-Wen模型的正确性。

高精度高分辨率WENO格式分析与改进

高精度、高分辨率计算格式对提高超声速复杂流场的计算水平有重要的意义。WENO格式是在ENO格式基础上发展起来的一类新型高精度、高分辨率格式,本文在格式加权算法理论和数值分析的基础,对加权算法进行了改进,通过模型问题应用可以看出:改进后格式权值的计算更为光滑,仍具有高精度、高分辨率的性质,并克服了随网格变化而出现的波动现象。

基于Bouc-Wen模型辨识结合面动态特性研究

结合面复杂的粘着-滑动和间隙-碰撞动力学行为通常是采用线性化的刚度和阻尼来模拟,忽略了本身的迟滞非线性特性。为真实反映结合面性质,提出将结合面特性等效为Bouc-Wen模型,并对模型中各未知参数进行范围限制和灵敏度分析。针对Bouc-Wen模型中参数的灵敏性,分别采用力和位移两种控制方式,运用最小二乘法对不同噪声扰动下的数据进行参数辨识,分析不同噪声扰动对辨识结果的影响,以及各控制方式对辨识结果的影响,从而验证采用Bouc-Wen模型等效结合面的迟滞非线性的合理性,和采用等效线性化的辨识方法的正确性。算例表明:在信噪比小于5%的噪声扰动下,对模型中各未知参数的辨识精度影响较小;采用位移控制方式辨识出的结果比采用力控制方式辨识的结果更加准确。

Bouc-Wen滞回系统动力学特性的仿真研究

Bouc-Wen滞回模型包含了非线性阻尼和非线性刚度,对各种光滑的滞回曲线都能较好的近似描述,在工程中得到了广泛应用。在不同参数下,Bouc-Wen滞回模型使系统具有软或硬式响应特性,导致系统有非线性振动特性。本文利用数值仿真技术,研究了不同参数下单自由度Bouc-Wen滞回系统稳态振动最大振幅与频率之间的关系,并分析了Bouc-Wen滞回参数对滞回振动系统的分叉与混沌的影响,发现一些新的现象。

基于Bouc-Wen模型的压电执行器的前馈线性化控制器

本文提出并研究了利用Bouc-Wen模型构建压电陶瓷执行器的迟滞位移在线观测器的方法,并采用迟滞位移在线观测器构成前馈控制系统实现了压电陶瓷执行器的输出位移与输入控制电压之间迟滞关系的线性化。在此基础上设计了相应的数字控制算法,实现了一种基于数字信号处理器的前馈线性化控制器,建立了相应的实验装置并进行了实验验证。实验结果表明,当前馈线性化控制器的输入控制电压为频率0.5 Hz幅值5 V的正弦电压时(功率放大器放大倍数为20倍),压电陶瓷执行器输出位移的最大绝对误差和非线性度分别为1.25μm和2.37%;当前馈线性化控制器的输入控制电压为频率0.5 Hz幅值递增的三角波电压时,压电陶瓷执行器输出位移的最大绝对误差和非线性度分别为1.80μm和3.06%。采用DSP实现的前馈线性化控制器能够较好地实现压电陶瓷执行器输出位移与输入控制电压之间迟滞关系的线性化,而且由于是开环控制,成本较低。

二维溃坝绕流的WENO格式数值模拟

WENO(Weighted essentially non-oscillatory scheme)格式是一类新的高精度无振荡差分格式。本文将WENO格式和Runge-Kutta时间离散的思想应用于二维浅水方程组的求解,数值模拟矩形河道中大坝瞬间局部溃倒,下游有障碍物的洪水演进过程,并对模拟结果进行了分析,表明采用WENO格式所建立的高分辨率模型能够有效地模拟溃坝波的演进过程。

基于Bouc-Wen方程的磁流变阻尼器实验建模

在实验数据的基础上建立了磁流变阻尼器输出力与不同定常电流控制量的关系,讨论了提高预测精度的方法,对修正Bouc-W en模型进行了进一步的简化修正。新的模型继承了Bouc-W en模型对激励的适应能力,没有使用修正Bouc-W en模型中参数随控制电压线性变化的函数,将控制量从Bouc-W en方程中分离了出来。本文模型的预测结果与实验数据相一致,表明本文提出的模型能准确地预测不同谐波激励和不同定常电流控制下的磁流变阻尼器输出力。

基于Bouc-Wen模型的非线性结构多尺度损伤分析研究

研究基于小波变换的非线性结构多尺度损伤特征提取方法。基于Bouc-Wen模型描述结构非线性损伤的时域演化特征,在此基础上分析结构动力响应的奇异性分析与时能密度分析对非线性结构损伤的时域识别能力。分析结果表明,结构动力响应的奇异性分析在非平稳激励输入和噪声影响下不能表征结构的时域损伤特征,而时能密度分析方法则具有良好的抗噪声干扰能力,可以有效地反映非线性结构系统刚度的时域变化过程。

结合误差变换的Bouc-Wen迟滞非线性系统反步控制器设计

针对智能材料执行器中非平滑、多映射的迟滞非线性,采用Bouc-Wen模型描述迟滞,并提出了一种基于误差变换的反步控制器设计方案.首先利用Bouc-Wen模型中的变量特性,通过预设性能函数,将误差约束在预设范围内.然后通过误差变换,将一个对输出误差存在约束的跟踪问题转化为一个无约束的镇定问题.最后利用反步控制法设计迟滞系统的控制器,该控制方法保证期望的跟踪精度,并能将误差限定在设定范围内且满足预设性能,提高了系统的暂态和稳态性能.仿真结果表明设计方法的有效性.

约束UKF初始参数对Bouc-Wen模型参数识别的影响

为获得约束UKF初始参数对模型参数识别的影响规律,针对Bouc-Wen模型给出基于约束UKF在线参数识别方法,通过数值模拟分析初始状态估计均值与协方差、过程噪声协方差、观测噪声协方差等滤波器初始参数对模型参数识别精度与收敛速度的影响,提出相应的参数取值建议。结果表明:在无模型误差的情况下,约束UKF对初始参数的设置具有较好的鲁棒性;适当地增大初始状态估计协方差,减小过程噪声,采用真实系统观测噪声协方差以及减小初始参数值与真实值的偏差,可以有效提高参数识别收敛速度和精度。该研究为基于约束UKF的非线性结构模型在线参数识别方法提供了参考。

压电执行器的Bouc-Wen模型在线参数辨识

现有的定参数Bouc-Wen模型由于无法表征压电执行器迟滞具有的频移和时变性,极易产生较大的模拟误差。为了精确地模拟压电执行器的迟滞特性,本文建立了压电执行器的Bouc-Wen模型,并采用递推最小二乘在线辨识方法来实时辨识Bouc-Wen模型的参数。为了避免出现数据饱和现象,使用限定记忆来限定辨识方法所使用的数据组数。为验证该辨识方法的有效性,建立了相应的实验系统对其进行实验验证。实验结果表明,限定记忆递推最小二乘在线辨识方法能使Bouc-Wen模型也呈现频移和时变特性。以100 Hz的驱动电压为例,其最大绝对模拟误差从1.38μm降为0.51μm。因此,与传统的离线参数辨识方法相比,限定记忆递推最小二乘在线辨识方法能够有效地提高Bouc-Wen模型的模拟精度。

加载制度对具有Bouc-Wen模型特征的结构反应的影响

根据ISO和CUREE两种低周反复加载制度并采用Bouc-Wen恢复力模型计算得到不同参考位移时轻型木结构的力学性能参数,通过对结构极限强度、极限位移、刚度、耗能和强度及刚度退化的分析得到如下的一些结论：1）不同加载制度下得到的轻型木结构力学性能参数是不同的,在利用试验结果对轻型木结构房屋进行性能评价时应该考虑加载制度和参考位移的影响;2）采用ISO加载制度,参考位移为120mm时结构的极限强度和极限位移较参考位移为60mm时分别增加12%~13%和66%~68%;采用CUREE加载制度,参考位移为100mm时结构的极限强度和极限位移较参考位移为50mm时分别增加4%~6%和55%~58%;3）结构的割线刚度受参考位移的影响较小;4）参考位移对ISO加载制度下的结构耗能、强度及刚度退化影响较大,而对CUREE加载制度下的影响较小.

基于Bouc-Wen模型橡胶隔震支座的非线性特性识别

基于简化的Bouc-Wen迟滞模型来描述隔震支座非线性力学模型,为基础隔震结构在地震作用下的隔震支座提供合理的力学性能状态评估,提出判断隔震支座进入非线性阶段时域演化特征的小波系数能量比指标;并采用小波多分辨分析理论进行隔震支座的非线性特性及参数识别.数值算例表明,小波系数能量比可以很好地判断基础隔震结构在不同地震激励水平下的非线性状态,利用小波多分辨识别算法可以准确识别隔震结构隔震层的非线性特性及模型参数.

色噪声与确定性谐波联合激励下Bouc-Wen动力系统响应的统计线性化方法

提出了一种用于求解色噪声和确定性谐波联合作用下单自由度Bouc-Wen系统响应的统计线性化方法。基于系统响应可分解为确定性谐波和零均值随机分量之和的假定,将原滞回运动方程等效地化为两组耦合的且分别以确定性和随机动力响应为未知量的非线性微分方程。利用谐波平衡法求解确定性运动方程,利用统计线性化方法求解色噪声激励下的随机运动方程。由此,可导出关于确定性谐波响应分量Fourier级数和随机响应分量二阶矩的非线性代数方程组。利用牛顿迭代法对上述耦合的代数方程组进行求解。数值算例验证了此方法的适用性和精度。