ACTIVE VIBRATION CONTROL AND SUPPRESSION FOR INTEGRATED STRUCTURES

The finite element dynamic model for integrated structures containing distributed piezoelectric sensors and actuators ( S/As ) is formulated with a new piezoelectric plate bending element in this paper. The problem of active vibration control and suppression of integrated structures is investigated under constant gain negative velocity feedback control law. A general method for active vibration control and suppression of integrated structures is presented. Finally, numerical example is given to illustrate the validity of the method proposed in this paper.

动力学耦合分析下反应堆被动容错可靠性控制

反应堆长时间、高负荷的运转,使内部各设备出现不同程度磨损,易发生故障。由于反应堆变量复杂,导致其控制难度较大。为此,提出动力学耦合分析下反应堆被动容错可靠性控制方法。根据差分格式、因子分解理论求解反应堆相关变量,即密度、能量、位置及其运动方向等,按照燃料与冷却剂的温度、密度求解每个区域的截面,确定反应堆运行状态;运用事件触发机制设计反应堆被动容错控制程序,使用故障分布矩阵分析每个设备故障程度,检测出故障位置,通过控制率重组理念修改正常状态反馈回路增益,使修改后系统与正常系统性能一致。实验结果表明,所提方法故障检测结果与实际情况一致,且控制误差小,有效提升了反应堆被动容错控制的可靠性。

柔顺宏微操作系统动力学建模及振动抑制研究

针对高速大范围宏运动时柔顺微操作器的微纳振动问题,建立系统动力学模型并设计改进离散滑模控制策略对微观弹性振动进行抑制。首先以气浮宏动平台和压电纤维微操作器构成的宏微操作系统为对象,结合假设模态法、拉格朗日方程和非对称迟滞模型,建立系统综合机电动力学模型。然后,在所建模型基础上设计变速趋近律调节切换增益,从而实现非线性离散滑模控制。最终搭建宏微操作系统测控平台,并进行轨迹跟踪和振动抑制试验。在轨迹跟踪时,对于不同频率的正弦参考轨迹,所设计的控制策略均能精确跟踪给定信号且误差较小;在振动抑制时,当宏动平台沿梯形与S轨迹运动时,微操作器残余振动稳定时间比改进前分别减少26.1%和50.0%,比无控制时分别缩短53.6%和53.3%。验证了动力学模型与离散滑模控制的有效性,提高了系统控制精度与效率。

压电陶瓷作动器的MPI动态迟滞建模与控制

压电陶瓷是一种具有迟滞非线性的智能材料。为了实现系统的精密跟踪控制,提出一种基于MPI(modified Prandtl-Ishlinskii)的Hammerstein动态迟滞模型,并基于该模型设计了滑模跟踪控制方案。在play算子的上升边沿和下降边沿阈值处引入了延时系数,并串联死区算子构成改进的非对称PI(Prandtl-Ishlinskii)模型,基于MPI的Hammerstein动态迟滞非线性模型可以描述压电陶瓷作动器的率相关迟滞特性。通过采集在单频率10 Hz,40 Hz,80 Hz和复合频率10~90 Hz正弦输入电压信号下的压电陶瓷作动器的位移数据,并采用粒子群算法和最小二乘递推方法辨识MPI模型参数和ARX(auto regressive model with exogenous input)模型参数,验证了模型的可行性,相较于基于经典PI的Hammerstein动态迟滞模型,模型误差分别降低了37%,42%,35%和24%。最后,构建迟滞补偿器,利用Hammerstein模型的模块化特点,提出一种可以实现对系统动态跟踪控制的滑模控制方案,并搭建了滑模控制压电系统试验平台,对单频率1 Hz,40 Hz,80 Hz和复合频率10~90 Hz的正弦输入电压信号进行了微位移实时跟踪控制试验,试验中的相对误差在7.62%以内,均方根最大误差为1.8573μm,表明所提出的滑模控制器有较强的跟踪性能。

含压电材料智能结构动态特性的研究

本文推导了含压电材料智能结构有限元动力方程 ,讨论了智能结构系统的动态特性 ,得到了模态形状和相应的模态电压以及考察了具有分布的压电传感器和执行器的四边简支方板的各阶固有频率随反馈增益的变化规律 ,这些结果将在智能结构控制的优化设计中起到很大的作用。

压电桁架结构动力学建模与振动控制

考虑叠层压电陶瓷主动杆件的机电耦合效应，建立了压电桁架结构机电耦合有限元动力学模型。给出结构系统检测方程，并分析其动态特性，除位移模态外，得到了系统电势模态。采用独立模态空间控制方法对结构振动进行控制，并进行压电主动杆件的多目标最优配置，除控制能量最小化外，对非控模态的控制溢出和观测溢出最小化是另外两个优化配置目标函数。算例表明分析方法的有效性和可行性。

基于模糊自整定PID算法的压电柔性机械臂振动控制研究

柔性臂运行过程中的振动降低了其定位和操作精度,不同控制算法时的柔性臂抑振效果也不相同。针对刚-柔-电耦合的双连杆压电柔性机械臂,提出基于模糊自整定PID算法的柔性臂振动主动控制方法。利用MATLAB软件中的模糊工具箱,建立有效的模糊规则,实现了PID参数在线自整定模糊控制系统的设计与仿真。与常规PID控制算法相比较,仿真及实验结果表明:两种算法均能抑制柔性机械臂的振动,但模糊自整定PID控制器具有响应快、鲁棒性好、调整方便等优点,并更好地改善了控制系统的动态性能。

智能结构有限元模型的建立及静态形状控制

本文建立了含有分布压电传感元件和执行元件的板结构的有限元模型，提出了一种新的具有电自由度板弯曲单元，用于分析含有分布传感元件和执行元件的板结构。以此为基础，提出了智能结构静态形状控制的一般方法，即被动控制方法和主动控制方法。最后，提供了两个数值示例，说明本文提出的方法的应用。

电子阻尼的增进——局部激励应变的补偿

分析了以压电陶瓷片为作动和测量元件，构成速度负反馈的闭环控制的“电子阻尼技术”之所以不能大幅度增加结构阻尼的原因。提出了“局部激励应变补偿”和把通常的微分负反馈改为低截止频率的惯性环节正反馈的控制新方案。压电悬臂梁的实验表明，它们能使结构模态阻尼比大幅提高。

利用压电传感器/驱动器的柔性结构主动振动控制研究

以粘贴有压电传感器／驱动器的柔性梁主动振动控制为例，论述了进行柔性结构传感器／驱动器及控制系统一体化研究的方法。给出了压电传感器的检测方程和驱动器的的驱动方程，以玻璃钢材料的柔性梁为实验对象，并采用自适应滤波技术来实现主动振动控制，控制系统有ＴＭＳ３２０Ｃ２５及４８６计算机组成的主从机系统来实现，实验结果表明此种控制方法是有效的。

基于PID算法的压电智能结构形状与主动振动控制

压电智能结构在形状优化控制方面越来越多地应用于薄壁结构。为了使薄壁结构能够准确变形,首先根据一阶剪切变形假设建立压电智能结构机电耦合静力学平衡方程,用最小二乘的思想计算薄壁结构产生预定目标形变的最优静电压值。此外,为使结构变形快速稳定,减少驱动变形产生的额外振动,建立智能压电结构动力学模型,采用PID控制策略,实现对形状控制的主动振动抑制。最后以一多压电致动器悬臂梁为例,进行形状与振动控制仿真,得到良好控制效果。

智能板振动控制的分布压电单元法

提出了一个用于振动控制的分布压电单元法，该方法中采用将分布压电传感器和致动器分割成若干相互独立的单元的方法，来设计压电模态传感器与压电模态致动器．压电模态传感器所观测的模态坐标和模态速度，可从各传感单元的输出电荷及电流中提取出来；而压电模态致动器则通过调制施加于其上的电压的空间分布来实现．

含压电作动器和传感器的复合材料层板静变形有限元分析和形状控制研究

本文研究了含压电作动器和传感器层的复合材料层板理论，建立了位移和电自由度的四节点有限元素，利用总势能最小原理推导了静力平衡方程，实现和验证了含压电作动器／传感器复合材料层板静态分析有限元程序。并对该类复合材料层板进行了形状控制研究。

压电梁振动的多输入多输出主动控制

对表面上贴有多个用作驱动器和传感器的压电陶瓷片的“压电梁”结构，导出了从驱动器到传感器的频响函数公式，作为压电结构设计和振动控制的数学模型。提出了压电梁对缓变周期扰动振动环境的多输入多输出振动抑制方法。在两输入两输出压电梁的多谐波振动的抑振控制试验中，基于实时频响矩阵识别，实现上述控制算法。

用两种功能材料综合控制智能梁的振动

给出了用两种材料对梁进行振动控制的综合控制方法。采用多层分布压电层进行精密主动控制时,将压电传感层和压电致动层分割成若干单元来设计压电模态传感器和压电模态致动器,进而实现了梁的模态控制,同时利用形状记忆合金的超弹性特性对梁进行被动控制来抑制梁的大振幅振动。

压电梁的主动消振实验研究

推导了压电梁的输入输出关系 ,建立了压电梁的传递函数模型 ,并进行了基于对消思想的主动振动控制实验 ,取得了理想的控制效果 ,表明了建模和控制方法的正确性与有效性。

堆叠型压电执行器的动态蠕变补偿

在实验的基础上证实了压电执行器动态蠕变现象的存在。考虑到压电执行器的高频响特点和PID在高实时性要求场合的应用,构建了复合控制器来抑制动态蠕变。该复合控制器由具有Prandtl Ishlinskii类型的迟滞直接逆作为前馈控制器,由根据在线测试结果和实时性要求选择的增量式PI作为反馈控制器,其中增量式PI的参数由模糊逻辑控制器在线调节。通过实验验证了复合控制器抑制动态蠕变的有效性。结果表明,当同幅值的0.1 Hz正弦信号在一个周期内被离散化为20台阶,40台阶,80台阶时,相等电压台阶对应的蠕变过程和范围都是不同的。本文构建的复合控制器能够对不同台阶的动态和静态蠕变进行有效抑制,补偿后蠕变的均方根误差(RMSE)分别降低为补偿前的28.6%,31.0%和35.4%。

基于电流与电压复合控制的压电陶瓷驱动器

针对电压控制型压电陶瓷驱动器存在动态性能差的问题，及电流控制型压电陶瓷驱动器存在在静态下易充电饱和、难以获得稳定输出的问题，该文设计了基于电流与电压控制的复合型压电陶瓷驱动器。该驱动器具有电流电压双闭环反馈，使驱动器可兼具良好的静态和动态特性。在此基础上，分析了复合型驱动器的性能特点和各参数对其性能的影响，通过调整参数可改变驱动器性能，以满足不同需求。实验结果表明，该驱动器驱动行程为10sm的压电陶瓷时，0～100V阶跃信号响应时间小于400μs，满行程带宽可达1.5kHz，给定直流信号下可获得良好的稳定输出。

基于粒子群的压电结构多目标同步优化控制

为了分析压电智能结构振动主动控制中结构与控制的耦合特性,克服现用优化算法的复杂性,以压电智能梁结构为研究对象,运用粒子群优化方法对传感器与作动器分布和反馈控制增益进行同步优化.选用储存能量和控制能量最小以及振动衰减最快的多重性能指标作为优化目标函数,找出了针对特定振动模态下的最佳贴片位置与控制增益,分析了压电片长度和数量对控制效果的影响.运算结果表明,与传统遗传算法相比,粒子群具有编程简单、计算量小、收敛速度快等优点.仿真结果显示,基于粒子群同步优化后的结构振动控制效果明显,验证了该方法的可行性.

配置压电传感器/驱动器的柔性结构振动主动控制研究

研究压电传感器/驱动器同位布置情况下柔性悬臂梁的振动主动控制问题,建立模态坐标为变量的状态方程,分别采用LQG(linear quadratic gauss)控制和鲁棒H∞控制技术设计振动主动控制系统。仿真结果表明,文中给出的控制方法是有效的,能有效抑制悬臂梁的振动,与LQG控制设计方法相比,鲁棒H∞控制对模态参数摄动具有较强的鲁棒性以及较好的闭环动态性能,能保证系统在不确定性因素作用的情况下,具有良好的振动抑制效果。